Prof. Yliana Barón [email protected] Departamento …gecousb.com.ve/guias/GECO/Materiales (MT-1113)/Material Teórico...características de los metales y aleaciones, materiales cerámicos

MT 1113CIENCIA DE LOSMATERIALES

Prof. Yliana [email protected]

Departamento de Ciencia de los MaterialesMEM 2do piso

MT-1113 CONTENIDO

2

TEMA 1. INTRODUCCIN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES

1. Que son los materiales?

2. Ciencia e Ingeniera de los Materiales (estructura-propiedades-

procesamiento)

3. Clasificacin de los materiales, clases y familias. Propiedades y

caractersticas de los metales y aleaciones, materiales cermicos y

vidrios, materiales polimricos y materiales compuestos

4. Propiedades mecnicas de los materiales: definicin de trminos,

principales ensayos mecnicos (traccin, impacto) y propiedades a

obtener.

5. Introduccin a la seleccin de materiales. Diagramas de

propiedades de los materiales

MT-1113 CONTENIDO

3

TEMA 2. ENLACES ATMICOS Y PROPIEDADES

1. Estructura atmica

2. Enlaces entre tomos: enlace inico, enlace covalente,

enlace metlico, enlace de Van der Waals

3. Estructura cristalina, ndices de Miller. Posiciones en la

red, direcciones y planos de la red

4. Defectos cristalinos y estructura no cristalina. Defectos

puntuales, lineales, de superficie

5. Endurecimiento por deformacin

MT-1113 CONTENIDO

4

TEMA 3. DIAGRAMA DE FASES

1. Fases, aleaciones, componentes y concentracin. Termodinmica

del equilibrio de fases

2. Diagramas de fases de materiales puros. Diagramas binarios.

Lmite de solubilidad. Compuestos intermedios

3. Curvas de enfriamiento

4. Diagrama Hierro-carbono

5. Interpretacin de diagramas complejos. Reaccin eutctica,

eutectoide, peritctica y peritectoide. Diagramas de fases de

materiales cermicos

6. Transformaciones de fases y evolucin de la microestructura

durante enfriamiento lento

7. Diagramas TTT

8. Tratamientos trmicos

MT-1113 CONTENIDO

5

TEMA 4. ALEACIONES METLICAS

1. Aleaciones ferrosas. Aceros al carbono y de baja aleacin.

Aceros de alta aleacin. Fundiciones

2. Templabilidad. Ensayo de Jominy

3. Caracterizacin de metales y aleaciones. Preparacin de

muestras. Microscopa ptica y electrnica de barrido. Medicin

del tamao de grano y del porcentaje de fases.

4. Tratamientos superficiales, difusin y leyes de Fick.

MT-1113 CONTENIDO

6

TEMA 5. FALLAS EN MATERIALES

1. Fractura rpida y tenacidad. Caso de estudio de fractura rpida

2. Falla por fatiga, identificacin de la falla, caso de estudio de falla por

fatiga

3. Termofluencia, mecanismo y materiales resistentes, caso de estudio

4. Oxidacin y corrosin, conceptos bsicos, control y prevencin,

casos de estudio

MT-1113 EVALUACIN

7

PARCIAL 1 Martes 29/01/2013 (semana 4)

PARCIAL 2 Jueves 21/02/2013 (semana 7)

PARCIAL 3 Viernes 22/03/2013 (semana 11)

Tres (3) parciales de 30 puntos c/u:

Tareas y taller 10 puntos

Taller de Microestructuras - Jueves 07/03/2013 (semana 9)

MT-1113 DATOS DE INTERS

8

CONSULTAS:

Martes y jueves, hora 3-4. Departamento de Ciencia de los Materiales, MEM,

2do piso, oficina 210-A

Laboratorio de corrosin, edif. Tratamientos Trmicos (detrs de subway)

Preguntas por correo: [email protected]

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA:

SHAKELFORD, J. Introduccin a la ciencia de materiales para ingenieros.

Pearson: Madrid, 7ma ed., 2010

ASHBY, M. y JONES, D. Engineering Materials I: An intoduction to properties,

applications and design. Elsevier: 4ta ed., Gran Bretaa, 2011

ASHBY, M.; SHERCLIFF, H. y CEBON, D. Materials: engineering, science,

processing and design. Elsevier: Gran Bretaa, 2009

AHSBY, M. Materials selction in mechanical design. Elsevier: 2011, 4ta ed.

MT-1113 MATERIALES

9

Los materiales son aquellos componentes que los hombres

utilizan para fabricar o construir cosas en bsqueda de mejoras en

su calidad de vida

MATERIA PRIMA MATERIALES COSAS TILES

Poseen alguna propiedad til distinta a las que poseen los elementos que lo componen

MT-1113 MATERIALESCiencias e Ingeniera de los Materiales

10

Campo interdisciplinario que se ocupa de inventar nuevos materiales y mejorar los ya conocidos

Estructura Propiedades Procesamiento

Cs. de los materiales

Ing. de los materiales

Puente General Rafael Urdaneta (8.7km)

Puente Qingdao Haiwan(42.5km)

MT-1113 MATERIALESEstructura

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ESTRUCTURA NIVEL DE DETALLE

EJEMPLO

Electrnica subatmico Densidad o nube electrnica

Atmica Molecular Composicin qumica (NaCl)

Microestructura MicroscpicoGrupo de tomos que forman

aglomerados, fases

Macroestructura MacroscpicoFibras que se pueden observar

con el ojo desnudo

MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESDe acuerdo a su composicin y estructura atmica

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Metales

y aleaciones

PolmerosCermicas

y vidrios

Cemento reforzado o concreto armado

Polmero reforzado con fibras de carbono

Cauchos reforzados con alambres

MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESDe acuerdo a la funcin que cumplen

13

MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESDe acuerdo a sus propiedades

14

MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESEvolucin de los materiales en el tiempo

15

Materiales

naturales

Materiales

fabricados

MT-1113 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Metales

16

Tiene un mdulo de Young relativamente alto (alta rigidez). Aunque la mayora de los metales en su estado puro son suaves y se pueden deformar; stos pueden ser endurecidos mediante la adicin de elementos aleantes(mantienen ductilidad). Los metales son susceptibles a sufrir falla por fatiga y tienen poca resistencia a la corrosin

Cristalinos


Cermicas

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Tiene alto mdulo de Young pero, a diferencia de los metales, son frgiles. Tiene cierta resistencia a traccin, pero a compresin fracturan frgilmente. Debido a que las cermicas tienen muy poca (o ninguna) ductilidad, tienen poca tolerancia a los concentradores de esfuerzos (poros o grietas). Son rgidas, son resistentes a la abrasin, mantienen sus propiedades a altas temperaturas y son resistentes a la corrosin.

Cristalinos

Amorfos


Vidrios

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Son slidos no-cristalinos (amorfos). Los vidrios mas comunes son los silicatos y los borosilicatos, los cuales se utilizan en la fabricacin de botellas y utensilios para hornos, pero hay muchos ms. La falta de cristalinidad en estos materiales suprime su plasticidad. Al igual que las cermicas, son duros, frgiles y vulnerables a los concentradores de esfuerzos


Polmeros

19

Tienen bajo mdulo de Young, alrededor de 50 veces menor mdulo que los aceros, aunque pueden ser duros. Pueden ser deformados permanentemente bajo la aplicacin de esfuerzos. Sus propiedades son dependientes de la temperatura: un polmero que es dctil a 20C, puede ser frgil a 4C (por ejemplo, cuando es colocado en un refrigerador). Muy pocos polmeros tiene utilidad por encima de los 200C. Los polmeros pueden ser semi-cristalinos, amorfos o una mezcla de fases cristalinas-amorfas (la transparencia del polmero est asociada a la fase amorfa). Pueden ser moldeados, lo que permite conformar piezas de geometra compleja. Son resistentes a la corrosin (pinturas) y tienen bajo coeficiente de friccin.

Semi-cristalinos Amorfos

MT-1113 PROPIEDADES DE LOSMATERIALESElastmeros

20

Son polmeros de cadena larga obtenidos a temperaturas superiores a Tg (temperatura de transicin vtrea). En los elastmeros los enlaces covalentes que unen las cadenas polimricas permanecen intactos, pero los enlaces dbiles (Van der Waals, puentes de hidrgeno) que mantiene unidas unas cadenas a otras, se han fundido. Debido a esto, el mdulo de Young del elastmero es hasta 105 veces menor que el de los aceros, presentando una enorme extensin bajo rgimen elstico

MT-1113 PROPIEDADES DE LOSMATERIALESHbridos

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Son combinacin de dos o mas materiales. En los materiales hbridos (compuestos) se incluyen los materiales compuestos por fibras o partculas, las estructuras tipo sandwich, las espumas, cables, laminados, entre otros. Por lo general, son livianos, rgidos, resistentes y tenaces. Son materiales costosos y son difciles de conformar, por lo que se utilizan bajo condiciones de alto desempeo donde su valor est justificado

MT-1113 PROPIEDADES DE LOSMATERIALESPropiedades y atributos de los materiales

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Mdulo de Young, Ductilidad, fragilidad,

tenacidad

Materiales cristalinos o amorfos

Endurecimiento, deformacin plstica y

elstica

Enlaces covalentes,

enlaces dbiles

MT-1113 PROPIEDADES DE LOSMATERIALES

23

Para poder disear o seleccionar materiales para una aplicacin especfica es necesario conocer las propiedades

del material

MT-1113 PROPIEDADES DE LOSMATERIALES

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Clase Propiedad

General DensidadPrecio

Mecnicas Mdulo de YoungEsfuerzo de traccinEsfuerzo mximo

DurezaElongacin

Tenacidad a la fractura

Trmicas Punto de fusinTemperatura de transicin vtrea

Temperatura mxima/mnima de servicioConductividad trmica

Calor especficoCoeficiente de expansin trmica

Elctricas ResistividadConstante dielctrica

pticas ndice de refraccin

Eco-propiedades Huella de carbonoFraccin de reciclaje

MT-1113 PROPIEDADES GENERALESDensidad y costo

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La densidad, (kg/m3), es la masa por unidad de volumen. La densidad puede ser determinada mediante el principio de Arqumedes: pesando el material en aire y en un fluido de densidad conocida

El costo, Cm ($/kg), puede tener un amplio rango de valores. Algo puede costar tan poco como 0,2$/kg o tanto como 1000$/kg. El costo vara, de acuerdo a la poca del ao, al balance entre la oferta y la demanda, y a la cantidad del producto que se quiera obtener (precio al mayor distinto al detal); sin embargo, es til la informacin para tomar una decisin cuando se est diseando

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASElstico o plstico?

26

Comportamiento elstico El material deformado, retoma su forma cuando se elimina el esfuerzo () o carga

Mdulo de Young / modulo de elasticidad / rigidez (E) resistencia del material a la deformacin elstica

Comportamiento plstico La deformacin es permanente, el material

queda deformado an despus de retirar carga

Esfuerzo de fluencia (f)Resistencia del material a la deformacin permanente

MT-1113 PROPIEDADESMECNICAS

Todos los slidos tienen un lmite elstico por encima del cual pasancosas:1. Un material frgil fracturar repentinamente (como los vidrios) o

progresivamente (como las cermicas)2. La mayora de los materiales ingenieriles se deforman

plsticamente (de forma permanente)

Es importante conocer cuando y cmo suceder esta deformacin, parapoder disear estructuras que soporten cargas in fallar. Para estudiarcomo los materiales se deforman permanentemente, se fabricanprobetas cilndricas o probetas planas, se colocan en una mquina deensayos universales y se les aplica traccin (o compresin) y seregistra el esfuerzo requerido para causar dicha deformacin

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASComportamiento Elstico Lineal

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En la figura se presenta una curva esfuerzo-deformacin de un

material que exhibe un comportamiento elstico perfectamente

lineal. Este es el comportamiento caracterizado por la ley de Hooke.

Todos los slidos tienen comportamiento elstico lineal a pequeas

deformaciones (

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASComportamiento no-elstico

29

Si se carga un material dctil (como los metales) a tensin, y se deforma hasta que el material falle, es posible obtener la curva esfuerzo-deformacin completa. Inicialmente, la deformacin ser elstica; pero al alcanzar el lmite elstico del material la deformacin comenzar a ser permanente (deformacin plstica); el material se har ms largo (y mas delgado) hasta que el material se vuelva inestable y comience a formar un cuello (punto de mximo esfuerzo).

Al formarse el cuello, el rea trasversal disminuye. = F/A el esfuerzo aumentar rpidamente hasta valores que el material no puede soportar y fracturar

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEnsayo de traccin

30

El ensayo de tensin mide la resistencia de un material a una fuerza esttica o gradualmente aplicada. La mquina de ensayos universales tiene un dispositivo similar al de la figura. Una probeta tpicamente tiene un dimetro de 0.505 pulgadas y una longitud calibrada de 2 pulgadas. La probeta se coloca en la mquina de prueba y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicacin de la fuerza, se coloca un extensimetro en la longitud calibrada.

Para un material dado, los resultados de 1 solo ensayo, son aplicables a todo tamao y forma de muestras (del mismo material), si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre las marcas en deformacin:

Ao es el rea original dela seccin transversal de la probeta antes de iniciar el ensayo, lo la distancia inicial entre las marcas calibradas, l la distancia entre las marcas despus de haber aplicado la fuerza F

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEnsayo de traccin

31

Con los datos obtenidos en el ensayo de traccin se

construye la curva esfuerzo-deformacin

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASMdulo de Young

32

Mdulo de Young (E) / mdulo de elasticidad: es la pendiente de la curva

esfuerzo-deformacin es su regin elstica. Sigue la ley de Hooke: E=/. El mdulo

de Young representa la rigidez del material o su resistencia a la deformacin

elstica.

Este mdulo est relacionado con la energa de enlace

de los tomos. Una pendiente muy acentuada indica

que se requieren grandes fuerzas para separar los

tomos y hacer que el material se deforma

elsticamente. Las fuerza de enlace y el mdulo de

Young por lo general, son mayores en los materiales

con alto punto de fusin

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEsfuerzo de fluencia

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Esfuerzo de cedencia o fluencia (f): es el esfuerzo al cual la deformacin

plstica se hace importante. Es el esfuerzo que divide el comportamiento elstico

del plstico del material. Si se desea disear un componente que no se deforme

plsticamente, se debe seleccionar un material con un lmite elstico elevado, o

fabricarlo de un tamao suficiente para que la fuerza aplicada produzca un

esfuerzo que est por debajo del esfuerzo de cedencia del material.

En algunos materiales, el esfuerzo de cedencia

no se detecta fcilmente. En este caso, se

determina un esfuerzo de cedencia convencional

trazando una lnea paralela a la porcin inicial

de la curva esfuerzo-deformacin, pero

desplazada hacia la derecha


34

Metales: el esfuerzo de fluencia(f) se determina mediante elmtodo de offset. Se traza unalnea paralela a la porcininicial de la curva esfuerzo-deformacin, pero desplazada0.002plg/plg (0.2%). El esfuerzocalculado de este modo essimilar al valor del lmiteelstico (y) en los materialesmetlicos y sus aleaciones


35

Polmeros: el esfuerzo de fluencia se identifica como como el esfuerzo al cual la curva se vuelve marcadamente no-lineal. Esto ocurre a una deformacin tpica de 1%. Esto es debido a desplazamientos irreversibles de las cadenas polimricas, que generan zonas de baja densidad (crazing) que desvan la luz, ocasionando que el polmero luzca blanco. Los polmeros son ligeramente ms resistentes a compresin que a traccin.


36

Cermicas y vidrios: el esfuerzo de fluencia depende del modo de carga. En traccin, la resistencia del material est caracterizado por el esfuerzo de fractura (t). A compresin, el esfuerzo (c) es mucho mayor. Tpicamente c = 10 a 15 t.

Debido a esta diferencia en comportamiento (traccin/compresin), las propiedades de los materiales cermicos y vidrios, por lo general, se obtienen a partir de un ensayo de flexin


37

En las cermicas y vidrios, el mdulo de ruptura (MOR) es el esfuerzo mximo que soporta una muestra sometida a flexin antes de fracturar. Este esfuerzo puede ser 1,3 veces el esfuerzo a tensin, debido a que en este tipo de ensayos la probabilidad de encontrar una grieta es pequea (menor rea) que en traccin (todas las grietas estn expuestas al mismo esfuerzo)

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASResistencia a la tensin

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Resistencia a la tensin o traccin (ts): es el esfuerzo obtenido de la fuerza

ms alta aplicada. Es el esfuerzo mximo sobre la curva esfuerzo-deformacin

ingenieril. A partir de este punto comienza la formacin del cuello en la probeta de

traccin (materiales dctiles).

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASPropiedades obtenidas de un ensayo de traccin

39

Resilencia (Er): es el rea bajo la

porcin elstica de la curva esfuerzo-

deformacin. Es la energa elstica

que un material absorbe o libera

durante la aplicacin y liberacin de

la carga aplicada.

( )( )cedenciadeesfuerzoalndeformacicedenciadeesfuerzoEr2

1=

En el caso de un comportamiento lineal:

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASPropiedades obtenidas de un ensayo de traccin

40

Ductilidad: es el grado de deformacin que puede soportar un material sin romperse. 1. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes

y despus del ensayo de traccin. El % de elongacin representa la distancia que la probeta se alarga plsticamente antes de la fractura

2. Se puede calcular el cambio porcentual en el rea de la seccin transversal en el punto de fractura antes y despus del ensayo. El % de reduccin en rea expresa el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba

3. Se puede medir el rea debajo de la curva esfuerzo-deformacin

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEfecto de la Temperatura

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Las propiedades a traccin dependen de la temperatura. El

esfuerzo de cedencia, la resistencia a la traccin y el mdulo

de Young disminuyen a temperaturas mas altas, en tanto que,

la ductilidad se incrementa.

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEsfuerzo real y deformacin real

42

La reduccin en el esfuerzo, mas all de la resistencia a la

tensin ocurre en razn a la definicin de esfuerzo ingenieril;

donde se considera constante el rea transversal de la probeta.

Sin embargo, esto no es as, ya que el rea se modifica

constantemente (formacin del cuello)

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASMecanismo de falla

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Fractura tipo copa-cono en los materiales dctiles debido a la formacin del cuello:1. Formacin inicial del cuello al

alcanzar el esfuerzo mximo o resistencia a la traccin

2. Formacin de cavidades debido a la presencia de impurezas, bordes de granos, defectos

3. Coalescencia de las cavidades para formar una grieta

4. Propagacin de la grieta5. Fractura final a 45 (labio) con

respecto a la direccin del esfuerzo

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASMorfologa luego de un ensayo de traccin

44

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASCurva esfuerzo deformacin

45

MT-1113

La aplicacin de cargas cclicas puede favorecer el crecimiento de una grieta, lo que lo lleva al material a fallar por fatiga a un esfuerzo menor que el esfuerzo mximo (curva esfuerzo-deformacin). Para la mayora de los materiales, existe un lmite de resistencia (e). Este lmite es el esfuerzo por debajo del cual la fractura no ocurre, o slo ocurre a ciclos muy altos (Nf > 107 ciclos)

PROPIEDADESMECNICASFatiga

46

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASDureza

47

Los esfuerzos de traccin, compresin, flexin o fatiga son destructivos. Se preparan probetas de dimensiones especficas y se someten al ensayo hasta fallar.

Un ensayo (no destructivo) de utilidad para predecir las propiedades mecnicas de los materiales es el de dureza. Para medir la dureza (H en MPa) es necesario presionar con un indentador de punta de diamante o una bola de acero endurecido sobre la superficie del material. La dureza se define como relacin entre la fuerza que ejerce el indentador y el rea de la huella dejada por dicha indentacin.

El valor de la dureza est relacionado con el esfuerzo de fluencia del material:

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASDureza

48

La dureza puede ser medida en diferentes escalas. Algunas de las mas comunes son la escala de dureza Vickers (Hv = H/10), la escala de dureza Rockwell (HRA, HRC, etc) y la escala de dureza Brinell (HB)

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASTenacidad

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La tenacidad, G1c (kJ/m2), y la tenacidad a la fractura, K1c(MPa/m o MN/m) miden la resistencia del material a lapropagacin de una grieta. Para medir la tenacidad a la fractura,se utiliza un material al que se le ha generado deliberadamenteuna grieta de longitud 2c y se registra el esfuerzo * al que lagrieta se propaga. Luego, los valores de la tenacidad y la tenacidada la fractura se pueden calcular a partir de las siguientesexpresiones:

1

Donde Y es un factor geomtrico (cercano a la unidad) dependientede la geometra de la muestra, E el mdulo de Young y elcoeficiente de Poisson. El coeficiente de Poisson es una medida decuanto de contrae un material en una direccin, cuando ste sedeforma bajo traccin en una direccin perpendicular.


50

Cuando se somete a un material a un golpe sbito e intenso,el material puede tener un comportamiento ms frgil que el quenormalmente presentara en un ensayo de traccin.

El ensayo de impacto se utiliza para medir la fragilidad deun material bajo estas condiciones. Se han diseado muchosprocedimientos, entre los cuales se encuentran el ensayo Charpy yel ensayo Izod. El ensayo Izod generalmente se utiliza para evaluarmateriales no metlicos; pero ambos se basan en el mismomecanismo.

Impacto

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASImpacto

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1. Durante el ensayo, un pndulopesado, que inicia su movimientodesde una altura ho, describe unarco y posteriormente golpea yrompe una probeta, alcanzando unaaltura final hf.

2. Si se conoce la altura inicial y laaltura final (ho y hf), se puedecalcular la diferencia de energapotencial.

3. Esta diferencia de energa es laenerga de impacto absorbidadurante la falla o ruptura de laprobeta


52

Temperatura de transicin: es la temperatura a la cual un material cambia de comportamiento dctil a frgil.

No todos los materiales tienen una temperatura de transicin bien definida: los metales bcc tienen temperatura de transicin, pero la mayora de los

materiales fcc no tiene

Esta temperatura puede definirse en funcin de: La energa promedio entre las

regiones dctil y frgil Una energa absorbida especfica Las caractersticas de la

superficie de fractura


53Morfologa de muestras ensayadas bajo impacto a distintas temperaturas

T (C)

Deformacin / ductilidad

MT-1113 PROPIEDADESMECNICASDesgaste

54

El desgaste es la prdida de material debido al movimiento relativoentre dos superficies. La velocidad a la cual ocurre dicha prdida es lavelocidad de desgaste, W (m2). La resistencia al desgaste de unasuperficie est caracterizada por la constante de Archard (KA en 1/MPa)

Donde A es el rea de contacto y P lafuerza normal ejercida entre las dossuperficies. Aunque KA est tabulado,hay que tener especial cuidado

!"


55

Mdulo de Young (E)

Esfuerzo de fluencia (y)

Tenacidad a la fractura (K1c)

Densidad ()

El material no es suficientemente

rgido

El material no es suficientemente

resistente

El material no es tenaz

El material tiene alta densidad

MT-1113 PROPIEDADES TRMICASTemperaturas

56

Otras dos temperaturas que caracterizan el comportamientode los materiales son la temperatura mxima y mnimade servicio (Tmax y Tmin). La primera indica la temperaturamxima a la que se puede utilizar el material sin que hayaoxidacin excesiva, cambio qumico o deformacin apreciable.La segunda temperatura indica el valor por debajo del cual elmaterial se vuelve frgil

La temperatura de fusin (Tm) y la de transicin vtrea (Tg) serelacionan directamente con la resistencia de los enlaces del slido. Los slidos cristalinos tiene una temperatura de fusin bien

definida, con un cambio de fase slido-lquido a una temperaturafija que caracteriza al material.

Los slidos no-cristalinos (amorfos) no presentan este cambio defase; en estos materiales la temperatura de transicin vtrea es laque caracteriza el momento en el cual el slido pasa a ser un lquidoviscoso.

MT-1113 PROPIEDADES TRMICASCapacidad calrica

57

La capacidad calrica o el calor especfico (J/kg,K) es laenerga necesaria para aumentar la temperatura de 1kg de materialen 1K. Para los slidos, esta medida se realiza a presin constante

(atmosfrcia), por lo que el trmino se denomina como Cp. Para los gases, el calor especfico se mide a volumen constante y

se denomina Cv. Para los gases Cv y Cp no son iguales, para losslidos estn medidas son casi iguales.

La capacidad calrica es medidautilizando un calormetro, en el cual seimprime una cantidad de energa(energa elctrica) a una muestra dematerial de masa conocida. Se registrael aumento de la temperatura enfuncin de la energa aplicada alasistema y se calcula Cp

MT-1113 PROPIEDADES TRMICASConductividad trmica

58

La velocidad a la cual el calor es conducido a travs de un slido, enestado estacionario, es medido mediante la conductividad trmica (W/m.K). Para ello se registra el flujo de calor q (W/m2) que fluye atravs de un material desde una superficie a alta temperatura (T1)hacia una de menor temperatura (T2), separados una distancia x.

La conductividad se calcula a partir de la ley de Fourier:

MT-1113 PROPIEDADES TRMICASDifusividad trmica

59

En estado no-estacionario, el flujo de calor depende de la difusividad trmica a (m2/s), la cual se define como:

Donde, es la densidad y Cp la capacidad calrica. La difusividad trmica se puede medir directamente registrando la cada de temperatura cuando una fuente de calor (aplicada al material) es apagada. La distancia (x) de difusin del calor en un tiempo t es aproximadamente:

MT-1113 PROPIEDADES TRMICASCoeficiente de expansin trmica

60

La mayora de los materiales se expanden cuando estn expuestosal calor. La deformacin trmica por el aumento de un grado detemperatura es medido a travs del coeficiente de expansintrmica (K-1).

MT-1113

Choques trmicos / Termofluencia

61

1. La resistencia a los choques trmicos Ts (en K o C) es lamxima diferencia de temperatura que se le puede aplicar a unmaterial sin que ste se agriete.

2. La resistencia a la termofluencia de los materiales es unaspecto que se debe tomar en cuenta cuando se disea paracondiciones a altas temperaturas. La termofluencia es ladeformacin lenta (dependiente del tiempo) que presentan losmateriales cuando son expuestos a temperaturas cercanas a

#$%

#$&. El diseo de materiales resistentes a la termofluencia es

un campo especializado; sin embargo, es seguro utilizar unmaterial, si ste se mantiene a T

MT-1113 PROPIEDADES TRMICASPropiedades Trmicas

62

MT-1113 PROPIEDADES ELCTRICASResistividad / Conductividad

63

La resistividad elctrica e (.m) es la resistencia de una unidadcbica con una diferencia de potencial unitario entre un par desus caras. Puede tener un amplio rango de valores, desde 10-8

.m en los buenos conductores hasta mas de 1016 .m en losmejores materiales aislantes.

La conductividad elctrica e (S/m o (.m)-1) es el inverso de laresistividad.

MT-1113 PROPIEDADES ELCTRICASConstante dielctrica

64

Cuando un material aislante (dielctrico) es colocado encampo elctrico, ste se polariza, apareciendo cargas en susuperficie que tienden formar una barrera o pantalla quereduce el campo elctrico en el interior.

La tendencia a polarizarse es medida mediante laconstante dielctrica (r adimensional).

Su valor en el espacio libre y en la mayora de los gases es 1.La mayora de los materiales aislantes tiene valores entre 2y 30.

MT-1113 PROPIEDADES PTICASndice de refraccin

65

Todos los materiales permiten el paso al menos de una pequeaporcin de luz: En los metales, esta fraccin es muy pequea.

La velocidad de la luz en el material () es siempre menor que lavelocidad de la luz en el vaco (c). Como consecuencia, un haz deluz que incide sobre una superficie a un ngulo , va a entrar almaterial a un ngulo de refraccin .

El ndice de refraccin (n) es la relacin entre la velocidad dela luz en los dos medios distintos.

MT-1113 PROPIEDADES PTICASndice de refraccin

66

El ndice de refraccin depende de la longitud de onda del hazincidente y, por lo tanto, del color de la luz. Mientras mas densoes el material, mayor es r y mayor es n. Cuando n=1, la luzincidente penetra completamente el material; pero cuando n>1,algo se refleja. Si la superficie est lisa y pulida, se refleja enforma de haz; si es rugosa se difracta. El porcentaje reflejado(R) est relacionado con n

El ndice de refraccin y la constante dielctrica estn

relacionadas

MT-1113 ECO-PROPIEDADES

67

La energa almacenada (MJ/kg) es la energa requerida para producir 1kg de material. Este es un indicador ambiental que toma en cuenta la energa necesaria para extraer el mineral del suelo, transportarlo, procesarlo, transformarlo, hasta obtener el material final.

La huella de CO2 (kg/kg) es la masa de dixido de carbono liberada hacia la atmsfera durante la produccin de 1kg de material

MT-1113 ECO-PROPIEDADESCiclo de Vida de los Materiales

68

MT-1113 ECO-PROPIEDADES

69

MATERIAL PROCESO EJEMPLOS

Minerales metlicos

Extraer el mineral del subsuelo

Minera a cielo abierto, minas subterrnea

Metales Obtener (aislar) el metal puro a partir del

mineral metlico

Alto horno (Fe)Hall-Heroult (Al)

Aleaciones Obtener mezclas de metales para alcanzar composicin deseada

Mezcla (y fusin) de metales

Piezas Obtener piezas de la forma deseada

Fundicin y vaciado en moldes, mecanizado

SUSTENTABLE

MT-1113 PROPIEDADES QUMICAS

70

MT-1113 MATERIALESCiencias e Ingeniera de los Materiales

71

Campo interdisciplinario que se ocupa de inventar nuevos materiales y mejorar los ya conocidos

Estructura Propiedades Procesamiento

Cs. de los materiales

Ing. de los materiales

Puente General Rafael Urdaneta (8.7km)

Puente Qingdao Haiwan(42.5km)

MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESFamilias, Clases y Sub-clases

72

Aluminio >99% 1000

Cobre 2000

Manganeso 3000

Silicio 4000

Magnesio 5000

Magnesio y silicio 6000

Cinc 7000

Otros elementos 8000

MT-1113 METALES Y ALEACIONES

73

Aleacin: mezcla homognea de dos o mas elementos (en su estado elemental), donde al menos uno es de origen metlico. Dicha mezcla se realiza a altas temperaturas, a T Tfusin de todos los elementos que lo componen (todos los elementos estn en fase

lquida)

Acero Fe (metal) + C (no metal) + otros elementosFe2O3 FeO

MT-1113

Mas del 90% de los materiales metlicos utilizados por el hombre son aleaciones ferrosas, lo que representa una inmensa familia de materiales con un amplio rango de estructuras y propiedades

METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos

74

Principal elemento aleante Fe

Aceros 0.05 < %C < 2.0

Fundiciones2.0 < %C < 4-4.5

baja aleacin

MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos

75

Aceros al carbono y de baja aleacin

Son aleaciones de moderado costo debido a que tienen pocos elementos aleantes

Son dctiles por lo que pueden ser conformados en diferentes formas

El producto final es duro y duradero

Leer artculo barras de acero de uso en automviles en aula virtual

MT-1113 METALES Y ALEACIONESDesignacin de aceros AISI-SAE

76

Acero 1020: acero de baja aleacin con 0.20%CAcero 52150: acero de baja aleacin con 1.50%C y 1.45%Cr


77

Aceros 0.05 < %C < 2.0


baja aleacin


78

Aceros de baja aleacin y alta resistencia

HSLA high-strength, low-alloy steels (aceros microaleados)

Son aceros al carbono de baja aleacin (< 5% otros elementos aleantes) que son fabricados para cumplir con propiedades mecnicas especficas.

Por lo general las composiciones de los aceros microaleados son propiedad del fabricante, por lo que estos aceros son identificados por sus propiedades mecnicas y no por la composicin.

Estos aceros presentan un procesamiento cuidadoso que permite la precipitacin de carburos y nitruros (V y Ti) que permiten un endurecimiento por dispersin y un tamao de grano fino

Son ms costosos que los aceros de baja aleacin, por lo que son usados en condiciones especiales


79

Aceros de alta aleacin

Aceros inoxidables elementos aleantes para prevenir corrosin atmosfrica (principalmente Cr) debido a la formacin de una capa estable de xidos de cromo en la superficie

Aceros de herramienta elementos aleantes para aumentar dureza

Superaleaciones elementos aleantes para obtener alta estabilidad de material a altas temperaturas

Acero inoxidable

Cr2O3


80

Aceros de alta aleacin Aceros inoxidables

Austenticos: microestructura de austenita retenida a temperatura ambiente debido

a la adicin de nquel. Tienen mas de 17% de Cr y menos de 0.1%C. Alta resistencia a

la corrosin.

Ferrticos: tienen poco contenido de nquel, se usan en aplicaciones que requieran

menor resistencia a la corrosin. Contienen hasta 30%Cr y menos de 0.12%C. Son

aleaciones ms econmicas debido a que tienen menor contenido de elementos

aleantes.

Martensticos: a estos aceros se les realizan tratamientos trmicos para obtener

microestructura de martensita. Son aceros inoxidables duros.

Endurecidos por precipitacin: se les realizan tratamientos trmicos para

transformar una aleacin monofsica en un material con mas de una fase. Tiene alta

resistencia y dureza. Se usan cuando se requieren materiales estructurales

resistentes a corrosin


81

Aceros de alta aleacin Aceros de herramienta

Los aceros de herramienta son usados para cortar y deformar otros

materiales de all sus requerimientos de dureza y estabilidad.

Anteriormente se utilizaban aceros al carbono para fabricar piezas de

herramienta (alto desgaste, alto consumo).

Ahora se utilizan aceros de alta aleacin: pueden ofrecer la dureza

necesaria con tratamientos trmicos sencillos, retienen dicha dureza a

altas temperaturas de operacin

Principales elementos aleantes: W, Mo y Cr


82

Aceros de alta aleacin Superaleaciones

Son materiales muy costosos. Son utilizados en aplicaciones donde las

condiciones de operacin del material y las propiedades que ste debe

tener justifiquen los costos.

Por ejemplo: partes de motores de avin, turbinas

MT-1113

Alto horno

METALES Y ALEACIONESProduccin de aceros

83

Fe2O3Fe3O4FeOFeFe2O3+3CO2Fe+3CO2C+1/2O2CO

Carbn mineral

Piedra caliza

Minas de

hierro

Hornos de coque

Molienda, trituracin

Concentracin del mineral de

hierro

carbn

coque

Mineral granulado, finos, pellas

Horno Briquetas Lingotes

MT-1113 METALES Y ALEACIONES

84

Alto hornoHierro (Fe)

Hornos de acera (hornos elctricos, de cuchara,

abiertos a la atmsfera)

Acero fundido

Adicin de elementos

aleantes (C Mn, Si, Cr, Ni, V, Mo, W, B)

Colada continua

Vaciado en moldes


85

Aceros 0.05 < %C < 2.0


baja aleacin


86

Se usa en componentes sometidos a bajo esfuerzo. Tienen mayor contenido de

carbono que los aceros. Durante el enfriamiento, parte del grafito se puede separar

y formar pequeas partculas de grafito distribuidas en todo el material. Estas

partculas de grafito actan como un material lubricante (sistema de frenos de los

vehculos, cilindros/pistones)

1. Fundiciones blancas: tienen una superficie de fractura banca y

cristalina debido a la presencia de Fe3C. Material duro y frgil

2. Fundiciones grises: superficie de fractura gris. Tiene 2-3%Si, lo que

favorece la precipitacin de grafito en vez de Fe3C

3. Fundiciones dctiles: contienen 0.05%Mg, que agregados a las

fundiciones grises en estado lquido, favorecen la precipitacin de grafito

esferoidal. Tienen alta ductilidad y resistencia

4. Fundiciones maleables: son fundiciones blancas a las que se les

realizan tratamientos trmicos para producir grafito nodular

Fundiciones

MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales No Ferrosos

87

Aluminio

Posee baja densidad, buena relacin resistencia peso, alta conductividad trmica y elctrica, no magntico, excelente resistencia a

la corrosin, utilizacin en industria aeronutica y automotriz


88

Cobre

Es un excelente conductor elctrico, por lo que es ampliamente utilizado en la elaboracin de cables elctricos. Debido a su conductividad trmica, es utilizado en radiadores e intercambiadores de calor. Alta resistencia a la

corrosin en ambientes marinos. Es dctil. Tiene apariencia rojiza

Alpaca, aleacin ternaria compuesta por Cu (45-70%), cinc (8-45%) y nquel (8-20%). Material muy dctil que puede ser trabajado a temperatura ambiente: imgenes religiosas, en los envases para tomar mate, en bisutera, monedas

(latn)


89

Nquel

El nquel es mas duro que el cobre. Las aleaciones de nquel presentan una excelente resistencia a la corrosin y a altas temperaturas (alta resistencia a la termofluencia), por lo que se utilizan en el diseo de turbinas en la

industria aeronutica

(Hasteloy, Inconel)


90

Titanio

Las aleaciones de titanio poseen resistencia mecnica alta y buenas

propiedades a altas temperaturas. El titanio es altamente reactivo,

por lo que forma una pelcula muy delgada de TiO2 que asla al

material, actuando como un recubrimiento excelente contra la

corrosin. Entre algunas aplicaciones destacan lo equipos de

procesamiento qumico, componentes marinos e implantes

biomdicos


91

Magnesio

Las aleaciones de magnesio tienen menor densidad que el aluminio. De todos los materiales utilizados comnmente como materiales

estructurales, las aleaciones de magnesio tienen la menor densidad (1.74 mg/m3). Estos materiales tienen una alta resistencia y baja densidad. Pero, a diferencia del aluminio, el magnesio puede

presentar comportamiento es frgil

Alta afinidad por el oxgeno. Degradacin a altas temperaturas

Nuevas aleaciones Mg-Al-X para substitucin de partes en automviles

Reduccin de peso

Aumento de eficiencia y de rendimiento de combustible


92

Cinc

Las aleaciones de cinc son ideales para realizar piezas por vaciado en moldes metlicos debido a su bajo punto de fusin y a su poca reactividad con el acero del molde.

Cada vez se usan menos debido a su alto peso. Una forma en la que se utiliza ampliamente el cinc es como

recubrimiento, stos son altamente resistentes a la corrosin en diferentes medios.

Galvanizado


93

Plomo

Las aleaciones de plomo tienen alta densidad y por consiguiente alto peso, sin embargo son deformables y tienen bajo punto de fusin, lo que lo hace un material verstil que se puede utilizar en diferentes aplicaciones.

Por ejemplo, los baos romanos tenan tuberas de plomo, los cuales an se conservan en Bath en Inglaterra.

Las aleaciones de plomo tambin se utilizan en las bateras, en las soldaduras, en los sistemas de proteccin de radiacin.

Sin embargo, debido a la toxicidad del plomo, su uso ha venido decayendo a aplicaciones especficas.

MT-1113 METALES Y ALEACIONESPropiedades de los metales y aleaciones

94


95

Metales

y aleaciones

PolmerosCermicas

y vidrios

MT-1113 CERMICAS Y VIDRIOS

96

Cermicas (tradicionales) materiales que tienen estructura cristalina, se obtienen a partir del moldeo de pastas (arcilla) que luego se llevan a altas temperaturas para su sinterizacin. Incluye silicatos (base SiO2) y xidos no-silceos

Vidrios materiales amorfos (no-cristalino) cuyo principal componente es el SiO2, con adiciones de otros xidos para disminuir el punto de fusin o mejorar algunas propiedades

Cermicas de alto desempeo tiene aplicaciones en herramientas de corte, partes de motores y piezas resistentes al desgaste

Rocas y minerales (incluye el hielo)

Cemento y concreto materiales con varias fases que son la base de los materiales utilizados en la construccin

MT-1113 CERMICAS Y VIDRIOSCermicas Cristalinas

97

Silicatos (base SiO2)

Cermicas blancas Arcilla Refractarios

Fase vtrea (SiO2) + Fase cristalina (silicatos)

Secado y calcinacin

MT-1113 CERMICAS Y VIDRIOSCermicas Cristalinas

98

Cermicas de xidos distintos a la slice (no-silicatos)

xidos puros Cermicos nucleares (UO2)

Circonia parcialmente estabilizada (Y, Ca, Mg) Cermicas electrnicas (BaTiO3) Cermicas magnticas (NiFeO4)

Cermicas no xidas (SiC)

MT-1113 CERMICAS Y VIDRIOSVidrios (vtreos)

99

Vtreo = amorfo o no-cristalino

MT-1113 CERMICAS Y VIDRIOSCermicas de Alto Desempeo

100

Tenacidad (Kc) + distribucin de microgrietas

Resistencia de las cermicas

Cermicas de alto desempeo

Alta densidad

Alta resistencia y tenacidad

MT-1113 CERMICAS Y VIDRIOSCermicas Naturales

101

MT-1113 CERMICAS Y VIDRIOSCemento y Concreto

102

Concreto = arena + piedra + cemento material compuesto

MT-1113 CERMICAS Y VIDRIOSPropiedades de los Vidrios y Cermicas

103


104

Metales

y aleaciones

PolmerosCermicas

y vidrios

MT-1113 POLMEROS

105

Termoplsticos: se ablandan cuando son expuestos al calor

Termoestables o resinas: se endurecen cuando los dos

componentes (resina y endurecedor) se calientan juntos

Elastmeros o caucho

Polmeros naturales: son la base de la mayora de las plantas

y la vida animal

MT-1113 POLMEROSTermoplsticos

106

MT-1113 POLMEROSElastmeros

107

MT-1113 POLMEROSTermoestables

108

Resina + endurecedor Polmero termoestableT Tamb

Reaccin qumica

MT-1113 POLMEROSPolmeros Naturales

109

MT-1113 POLMEROSNomenclatura

110

MT-1113 POLMEROS

111

MT-1113 MATERIALES

Comparacin entre propiedades

112


113

Metales

y aleaciones

PolmerosCermicas

y vidrios

Cemento reforzado o concreto armado

Polmero reforzado con fibras de carbono

Cauchos reforzados con alambres

MT-1113

Materiales compuestos

Metales

Cermicas

Polmeros

Aprovecha las propiedades del material base o matriz y las mejora o modifica mediante la incorporacin de otro material o refuerzo

MATERIALES COMPUESTOS

114

MT-1113

Las propiedades de los materiales compuestos estn influenciados por las

propiedades del material de refuerzo

Concentracin del refuerzo Tamao del refuerzo Forma del refuerzo

Distribucin del refuerzo Orientacin del refuerzo


115

MT-1113

Materiales compuestos

Reforzados con

partculas

Partculas largas

Partculas pequeas dispersas

Reforzados con fibras

Continuas

alineadasDiscontinuas

Alineadas Orientadas al azar

Estructural

LaminarTipo

sndwich (paneles)


116

MT-1113

Materiales reforzados por

partculas

Partculas largas. Hay poca interaccin entre lamatriz y el refuerzo. Generalmente, las partculas

son ms duras que la matriz; restringiendo los

movimientos propios del material de la matriz en la

zona cercana al refuerzo

Partculas dispersas. Las partculas del refuerzo sonpequeas, entre 10 y 100nm, de modo que puede

haber interaccin a nivel atmico o molecular. Las

partculas sirven como obstculos al movimiento de

dislocaciones


117

MT-1113

Materiales reforzados por partculas partculas largas

El material de refuerzo es de gran tamao

1.- El material de refuerzo modifica/mejora las propiedades de la matriz

2.- El material de refuerzo (de bajo costo) remplaza o substituye parte del material de la matriz

Regla de las mezclas predice que el mdulo de Young del material compuesto debe estar entre dos lmites determinados por:

( ) ( )partculapartculamatrizmatrizerior VEVEE +=sup

( ) ( )matrizpartculapartculamatrizpartculamatriz

eriorEVEV

EEE

+=inf

Ecompuesto


118

MT-1113

Materiales reforzados por partculas partculas largas

Ejemplos de materiales

compuestos reforzados

por partculas

Cermicas-metales (cermets) carburos cementados.

Partculas muy duras (WC o TiC) embebidos en una matriz de

cobalto o nquel

Cermica-cermica concreto. Agregados de partculas

(arena) que se mantienen unidas por medio de un enlazante

slido (cemento)

Cermica-cermica-metal concreto armado. El concreto

(material compuesto) es reforzado por barras de acero


119

MT-1113

Material compuesto reforzado por fibras

Influencia del tamao de la fibra. Es necesario que la fibra tenga un tamao crtico para que el refuerzo sea efectivo (aumento de

la dureza o de la rigidez)

c

fc

dl

2=

Influencia de la orientacin y concentracin de la fibra.1.- Las fibras pueden estar alineadas en la direccin longitudinal

del material compuesto

2.- Las fibras no estn orientadas en ninguna direccin


120

c resistencia del enlace entre la matriz y la fibra

MT-1113

Materiales compuestos reforzados con fibras continuas y alineadas

Las propiedades mecnicas del material dependen de la direccin

en que es aplicada la carga o el esfuerzo

ffmmallongitudincontinuo VEVEE +=/

( ) ( )mffmfm

ltransversacontinuoEVEV

EEE

+=/

ffmmallongitudincontinuo VV +=*

/

Mdulo de Young Esfuerzo de fluencia

El material falla a esfuerzos menores a

los de la matriz y la fibra efecto negativo del refuerzo

Longitudinal

Transversal

* es el esfuerzo de la matriz cuando falla la fibra


121

MT-1113

Materiales compuestos reforzados con fibras discontinuas y alineadas

Para fibras discontinuas y alineadas, cuya distribucin es uniforme en la matriz, y

con fibras con tamao mayor al tamao crtico

( )fmcffallongitudinodiscontinu Vl

lV +

= 1

21/

Para fibras discontinuas y alineadas con fibras con tamao menor al tamao crtico

( )fmfcallongitudinodiscontinu VVd

l+= 1/


122

MT-1113

Materiales compuestos reforzados con fibras no orientadas

Las fibras son consideradas como partculas sus propiedades mecnicas

pueden ser estimadas por medio de la regla de las mezclas

mmff VEVKEE +=

K es un parmetro de eficiencia que depende de la fraccin volumtrica de

la fibra y de la relacin entre el mdulo de Young de la fibra y de la matriz. K

tiene un valor menor a 1, generalmente entre 0.1-0.6


123

MT-1113

Polmero reforzado con fibra de vidrio. El dimetro de la fibra generalmente est entre 3-20m y es usado debido a:1. Las fibras de vidrio son fcilmente obtenibles a partir del estado fundido2. Como fibra, el vidrio es relativamente resistente. Cuando es embebido en la matriz

polimrica, permite obtener un material compuesto con alta resistencia3. El material compuesto es inerte qumicamente en muchos medios, lo que le hace

resistente a la degradacin por corrosin4. El lmite de operacin del material est alrededor de 200C, limitado por la resistencia

de la matriz cuando es expuesta a altas temperaturas.

Polmero reforzado con fibra de carbono.1. El carbono tiene el mayor mdulo de Young y mayor resistencia que cualquier otro

material utilizado como refuerzo2. El carbono mantiene sus propiedades mecnicas cuando es expuesto a altas

temperaturas3. A temperatura ambiente, las fibras de carbono no son afectadas por humedad y

muchos cidos, solventes y bases

MATERIALES COMPUESTOSMateriales compuestos con matriz polimrica

124

MT-1113

El metal utilizado como matriz es dctil

Estos materiales pueden ser utilizados a altas temperaturas. Es posible obtener

materiales compuestos cuya temperatura mxima de servicio sea mayor que la de la

matriz

El refuerzo se utiliza para aumentar la rigidez, resistencia a la abrasin, conductividad

trmica o estabilidad dimensional, entre otras propiedades

El material de refuerzo puede estar tanto en forma de partculas como de fibras, con

concentraciones entre 10-60% en volumen

Su uso es comn en la industria automotriz, en donde algunos componentes de los

motores son fabricados de aleaciones de aluminio reforzados con fibras de almina o

carbono. Esto favorece la obtencin de un material ligero y resistente al desgaste y altas

temperaturas. Tambin tiene utilidad en la industria aeroespacial, en donde se utilizan

aleaciones de aluminio reforzadas con fibras de boro o fibras de grafito.

MATERIALES COMPUESTOSMateriales compuestos con matriz metlica

125

MT-1113

A pesar de la baja tenacidad a la fractura de los materiales cermicos, su

resistencia a altas temperaturas lo hace un buen candidato para material a reforzar

(matriz)

Circonia

tetragonal

Circonia

cbica(matriz)

Mecanismo de arresto de grietas en la circonia parcialmente

estabilizada con Y2O3, CeO2, MgO, CaO

MATERIALES COMPUESTOSMateriales compuestos con matriz cermica

126

MT-1113

Los laminares estn formados por paneles unidos entre s por algn

tipo de adhesivo u otra unin. Lo mas usual es que cada lmina est

reforzada con fibras y tenga una direccin preferente, mas resistente a

los esfuerzos. Ejemplo: madera contraenchapada

Otros consisten en dos lminas exteriores de elevada dureza y

resistencia (normalmente plsticos reforzados, aluminio o incluso

titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente,

polmeros cauchos sintticos

Se utilizan con frecuencia en construccin, en la industria aeronutica

y en la fabricacin de condensadores elctricos multicapas

Materiales compuestos estructurales


127

MT-1113 MATERIALES COMPUESTOSNomenclatura

128

MT-1113

1. Estimar las conductividades mxima y mnima para un cermet que contiene 85%

volumen de partculas de TiC en una matriz de cobalto. La conductividad trmica

del TiC es 27 W/m-K y el de el Co 69 W/m-K

2. Un material cuya matriz epxica es reforzada con fibra de vidrio, tiene una relacin

entre la longitud crtica de la fibra y su dimetro de 50. Utilizando los datos de la

tabla, de terminar el esfuerzo de enlace entre la fibra y la matriz.

MATERIALES COMPUESTOSEJERCICIOS

129

MT-1113

3.- Un material compuesto reforzado por fibras contiene 30%vol de fibras y 70%vol de

una matriz de policarbonato. Las caractersticas mecnicas de estos dos materiales

estn en la siguiente tabla. Adems, el esfuerzo de la matriz de policarbonato es

45MPa cuando las fibras fallan. Calcular el esfuerzo de fluencia longitudinal y el

mdulo de Young para este material compuesto.

4.- Para un material compuesto con fibras continuas y orientadas, el mdulo de

elasticidad en las direcciones longitudinales y transversales son 19.7 y 3.66 GPa

respectivamente. Si la fraccin volumtrica de fibras es 0.25, determinar el mdulo de

elasticidad de la fibra y de la matriz

MATERIALES COMPUESTOSEJERCICIOS

130

MT-1113

131

MT-1113 DISEO

132

Las propiedades limitan el desempeo de los materiales

Es necesario encontrar la forma de navegar a travs de las propiedades de los materiales para poder comparar valores y hacer la mejor seleccin durante un diseo

Las propiedades las podemos encontrar en forma de listas, tablas, grficos de barrassin embargo, el desempeo del material pocas veces depende de una nica propiedadpor lo general depende de un conjunto de ellas: se requiere de un material rgido pero bajo peso, un conductor trmico que sea resistente a la corrosin o un material de alta resistencia y alta tenacidad.

Surge la necesidad de realizar grficos donde se relacionen dos propiedades, mapas donde podemos encontrar informacin acerca de las propiedades de una familia de materiales o de un material especfico

MT-1113 DISEOExplorando las propiedades de los materiales

133

Cada propiedad de un material ingenieril tiene un rango caracterstico de valores. Estos valores pueden tener un amplio rango, como se muestra en el diagrama de barras (escala logartmica)


134


135

Los diagramas de barras permiten la comparacin de una propiedad (mecnica) para las distintas familias de materiales. Pero estos diagramas tambin permiten la comparacin entre dos propiedades distintas

MT-1113

136

MT-1113

137

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESPrincipios Bsicos

138

Para la seleccin de materiales es necesario establecer relaciones entre los materiales y sus funciones. Un material tiene atributos: densidad, resistencia mecnica,

costo, resistencia a la corrosin, entre otros. Un diseo demanda un perfil de propiedades: baja densidad,

alta resistencia, costo modesto, resistencia al agua de mar, etc.

Es importante comenzar por considerar todos los materialesver el men completo antes de tomar una decisin

Los objetivos de la seleccin de materiales se pueden resumir en:1. Identificar el perfil de atributos deseados2. Comparar este perfil con los materiales ingenieriles reales para

encontrar el que mejor se ajuste a lo deseado

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESPrincipios Bsicos

139

1. El primer paso en la seleccin de materiales consiste en traducir o examinar los requerimientos del diseo para identificar las restricciones impuestas por el diseador.

2. A partir del men completo de los materiales, debemos reducir las opciones aplicando las restricciones. Las restricciones actan como un filtro: los materiales que NO cumplen las restricciones, son descartados de nuestras opciones

3. Luego de aplicar las restricciones nos quedar una lista de materiales que cumplen con las especificaciones de diseo, pero debemos jerarquizar nuestras opciones: ordenar los materiales en funcin de su habilidad para maximizar un desempeo (ndice del material)

4. Luego de ordenar nuestras opciones, debemos documentarnos acerca de los distintos materiales de nuestra lista. Es necesario conocer acerca del proceso de fabricacin, de su historial de fallas, ha sido utilizado en las mismas condiciones?

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALES

140

Traducir los requerimientos del diseo para crear una receta del material

Funciones: soportar una carga, contener presin, transmitir calor

Restricciones: ciertas dimensiones son fijas, el componente debe soportar cierta carga sin fallar, debe funcionar en un determinado rango de temperaturas

Objetivos: hacerlo lo mas econmico posible, que tenga el menor peso posible (ligero)

Variables libres: dimensiones, materiales, procesos

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESTraducir los requerimientos

141

Usted necesita un carro nuevo. Para cumplir con las necesidades, el carro debe ser de tamao medio, con 4 puertas, con un motor a gasolina y de al menos 150 HP; pero, adems Usted quiere que el carro sea lo ms econmico posible.

Restricciones: Carro de tamao medio Cuatro puertas Motor a gasolina Mnimo 150 HP

Objetivos: Menor costo posible

Funcin: Ser un medio de transporte (Carro)

Variables libres: Marca Modelo

1. Traducir2. Aplicar las restricciones

3. Ordenar4. Documentar

Seleccin final

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESTraducir los requerimientos

142

Se necesita un visor para cascos de seguridad que sea fcil de moldear y transparente.

Funcin: servir de proteccin a los ojos y parte de la cara

Restricciones:1. Habilidad para ser

moldeado2. Transparente

Objetivo:(como es para proteger los ojos y parte de la cara, no debe astillarse o romperse por impacto) Mayor tenacidad a la fractura posibleVariables libres:

Material

1. Traducir2. Aplicar las restricciones

3. Ordenar4. Documentar

Seleccin final


143

Hacer una bsqueda aplicando las

restricciones

Aplicar un filtro

Materiales que cumplan con las

restricciones impuestas por el diseo

pasan al siguiente paso

Materiales que NO cumplen con

restricciones no pasan, son eliminados

como posible candidato

Aplicar restricciones (filtro)

Lista de materiales sobrevivientes

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESAplicar restricciones (filtro)

144

Restricciones:

1. Habilidad para ser moldeado

2. Transparente

Eliminamos los metales, aleaciones y las cermicas. Slo algunos polmeros y vidrios son

transparentes


145

Ordenar los materiales

Criterio de excelencia: ndice del Material

Una propiedad propiedad maximiza desempeo

Combinacin de propiedades ndice de material

maximiza desempeo

En esta etapa se identifican aquellos materiales

que pueden hacer mejor el trabajo

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESOrdenar los materiales

146

Objetivo:(como es para proteger los ojos y parte de la cara, no debe astillarse o romperse por impacto) Mayor tenacidad a la fractura posible


147

Buscar documentacin / informacin acerca del

material

Se buscan descripciones, graficas, figuras con casos

previos donde se haya utilizado el material, detalles

de su resistencia a la corrosin en un ambiente

particular, precio y disponibilidad en el mercado,

toxicidad, impacto ambiental

Handbook, hojas de los proveedores, sitios web,

entre otros

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESDocumentacin

148

1. POLICARBONATO: lentes y guantes de seguridad, lentes, cascos de seguridad utilizado en lminas a prueba de balas

2. CELULOSA: lentes, artculos, herramientas de mano, cubiertas para pantallas de televisin.

3. PMMA (PLEXIGLAS): lentes de todo tipo, ventanas de avin, herramientas de mano.

El mayor K1c lo tiene el policarbonato, el cual ha sido utilizado en artculos de seguridad, lo que garantiza que funcionar bajo la condicin de diseo

MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico

149

Las granjas de viento costa afuera

estn creciendo cada vez mas en

popularidad, constituyen una fuente de

energa renovable y presentan ciertas

ventajas frente a las granjas en tierra

firme. La velocidad del viento es mayor

y mas consistente costa afuera, lo que

permite una generacin mayor de

electricidad, aunque hay objeciones

ambientales al respecto

Seleccionar el material a utilizar en la construccin de las torres donde van colocadas las turbinas

GRANTA Teaching resources en www.grantadesign.com/education/resurces


150

Las torres para turbinas costa afuera

tienen una sola funcin: soportar los labes

de la turbina y el generador. Pero, debido a

que son difciles de acceder, deben ser de

bajo mantenimiento. Los materiales deben

ser resistentes al ambiente marino al que

estn expuestos y a las condiciones de

viento / exposicin solar presentes en

ambientes abiertos. Aunque por lo general

se utilizan torres cilndricas huecas, por

simplicidad vamos a considerarlas como un

cilindro macizo y de longitud fija


151

1. Crear la receta del material

Funcin:

Torre para turbina de viento

Restricciones:

Resistencia a la corrosin en ambientes marinos

Resistencia a UV

Tenacidad

Debe funcionar entre -40C y +40C

No debe fallar bajo rfagas de viento de alta velocidad

Variables libres:

Radio

Material

Objetivo:

Minimizar costo


152

2. Aplicar las restricciones: resistencia a ambientes marinos, UV

1. No se puede usar; 2. se puede usar pero slo con proteccin externa; 3. bueno, aunque presenta poca degradacin; excelente


153

Restricciones:


Resistencia a UV

Tenacidad



2. Aplicar las restricciones:

Las restricciones son un filtro

Los materiales que no cumplan con la restriccin son eliminados como posible candidato!!!

Materiales eliminados: Materiales polimricos (polipropileno, policarbonato, resinas epxicas), concreto, aceros de baja aleacin


154


155

Restricciones:


Resistencia a UV

Tenacidad




Materiales eliminados (temperatura max. de servicio < 50C): aleaciones de plomo, PMMA, Ionomeros, EVA

Materiales eliminados (


156


157

Restricciones:


Resistencia a UV

Tenacidad




Materiales eliminados: materiales compuestos, cermicas tcnicas

Posibles candidatos: metales y aleaciones (menos aceros de baja aleacin, aleaciones de Pb, Mg, Zn)

MT-1113

158


159

3. Ordenar los materiales en base al objetivo:

Objetivo:

Minimizar costo

Material Costo aprox. (Costo por unidad de volumen)

Aleaciones de titanio 20-80

Aceros inoxidables 3-20

Aceros al carbono 0.8-1

Fundiciones 0.4-1

Aleaciones de aluminio 0.8-1


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4. Documentacin:

Que materiales se utilizan en realidad?

Generalmente se utilizan aceros al carbono

especialmente formulados para tener buena

soldabilidad, que sean fciles de conformar y

con buena resistencia a la corrosin.

Aunque en la mayora de los casos la

resistencia a la corrosin se aumenta mediante

el uso de recubrimientos.

Las partes bajas de la torre se fabrican en

aceros micro-aleados, los cuales tienen alta

resistencia y tenacidad a bajas temperaturas

Documents

Prof. Yliana Barón [email protected] Departamento …gecousb.com.ve/guias/GECO/Materiales (MT-1113)/Material Teórico...características de los metales y aleaciones, materiales cerámicos