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1. Objetivo2. Tipos de Materiales. Clasificación Básica3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado4. Selección de Materiales
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Tema 1. Introducción a laingeniería y tecnología demateriales
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¿Qué es la Ingeniería y Tecnología de
Materiales?
- Disciplina de la ingeniería que trata sobre losprocesos industriales para obtener las piezas
que componen las máquinas.
- A medida que aumentan requisitosaumenta variedad y complejidad procesosindustriales.
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¿Qué se puede aprender en Ingeniería y Tecnología deMateriales?
Saber correlacionar las variables tecnológicas de cada
proceso de fabricación con las propiedades obtenidas (y requisitos
a cumplir) y la defectología que puede surgir en cada caso, para
cumplir los requisitos en servicio solicitados a la pieza y evitar
fallos en servicio.
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¿Qué es Ciencia? Qué es Ingeniería?
Ciencia de materiales:
Conocimientos básicos de los
materiales, estructura interna,
propiedades físicas yquímicas.
Ingeniería de materiales:
Conocimientos fundamentales
y aplicados sobre materiales
para transformarlos en
productos necesarios o
requeridos por la sociedad.
Ciencia e Ingeniería de Materiales
Conocimiento resultante de la
estructura, propiedades,procesado y comportamientode los materiales en ingeniería
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2. Tipos de Materiales. Clasificación Básica
– Átomos unidos por una nube electrónica(enlace metálico)
– Alta conductividad térmica y eléctrica
– Densidad relativamente alta
– Materiales muy tenaces
– Formados por la unión depequeñas moléculas orgánicas(monómeros) entre sí
– Baja densidad
– Baja temperatura de fusión
- Plásticos: Gran capacidad dedeformación plástica
- Elastómeros: Gran capacidad dedeformación elástica
– Obtenidos mezclandomateriales de distintas familias
– Propiedades “a medida”– Varios tipos de refuerzo
• Partículas
• Fibras cortas
• Fibras largas
– Materiales no orgánicos ni metálicos
– Generalmente son óxidos o carburos conaltos puntos de fusión
– Muy baja conductividad eléctrica(aislantes)
– Refractarios
– Densidad relativamente baja
– Materiales muy frágiles
– Alta Resistencia a la oxidación, corrosión ydesgaste
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MATERIALES
METALICOS
ALEACIONES
FÉRREAS
ALEACIONES
NO FÉRREAS
ACEROS FUNDICIONES ALEACIONES
LIGERAS
BASE
ALUMINIO
BASE TITANIO
BASE MAGNESIO
SUPERALEACIONES
BASE Fe-Ni
BASE Ni
BASE Co
A. HERRAMIENTAS
ALTA ALEACIÓN
A. INOXIDABLES
BAJA ALEACIÓN
GRIS
DÚCTIL
BLANCA
MALEABLE
BASE Cu
BRONCES,
LATONES
2. Tipos de Materiales. Clasificación Básica
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MATERIALESCERÁMICOS
CRISTALINOS
CERÁMICASAVANZADAS
SiC
AL2O3
CERÁMICAS TRADICIONALES
ARCILLASSILICATOS
VÍDRIOS VITROCERÁMICAS
2. Tipos de Materiales. Clasificación Básica
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MATERIALES
POLIMÉRICOS
PLÁSTICOS
TERMOPLÁSTICOS TERMOESTABLES
PROCESOCURADO
ELASTÓMEROS
PROCESOVULCANIZADO
2. Tipos de Materiales. Clasificación Básica
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MATERIALESCOMPUESTOS
SEGÚNMATRIZ
POLIMÉRICA METÁLICA CERÁMICA
SEGÚNFASE DISPERSA
REFORZADOSCON
PARTÍCULAS
REFORZADOSCON FIBRAS
MATERIALESLAMINARES
ESTRUCTURAS TIPO SANDWICH
2. Tipos de Materiales. Clasificación Básica
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3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado
Procesado
Propiedades
Comportamiento en servicio
Estructura
MATERIAL
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3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado
Procesado
Propiedades
Comportamiento en servicio
Estructura
MATERIAL
Ciencia deMateriales
Ciencia de
Materiales
Ing. y Tecnología deMateriales
Ing. y Tecnología de Materiales
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Estructura
Procesado
Propiedades
Comportamiento en servicio3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado
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Electrónica: Distribución e- afecta al comportamiento eléctrico, magnético,térmico, óptico, resistencia a la corrosión.
Atómica: Enlace determina el tipo de material: clasificación
Cristalina: Disposición átomos espacio estr. cristalina influencia enprop. Mecánicas
Microestructura: Viene determinada/determina por el procesado y lostratamientos
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Aleaciones Al (FCC) ⇒ dúctiles
Aleaciones Mg (HCC) ⇒ relativamente frágiles
planos y direcciones de elevada densidad atómica
⇓ facilidad deformación mecánica
⇓ Ductilidad
Al: 12 planos y direcciones Mg: 3 planos y direcciones⇓
mayor capacidad de deformación
Efecto de la estructura sobre las propiedades:
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• Procesado en función de la estructura
▫ estructuras ccc (Cu): trabajado en frío
▫ estructuras hc (Mg): no pueden conformarse por deformaciónplástica en frío
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Procesado
Propiedades
Comportamiento en servicio
Estructura
Efecto de la estructura sobre el procesado:
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Escala microscópica
Al2O3 3% porosidad Al2O3 0.3% porosidad⇒ opaco ⇒ transparente
En el procesado: porosidad se añade 0.1% MgOAplicación: lámparas halógenas
La p o ro sid a d p ro d uc e una pérd id a d e tra nsm isión d e luz visib le
Efecto del procesado en las propiedades
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Adapted from Fig. 1.2,
Callister 6e.(Specimen preparation,
P.A. Lessing; photo by J.
Telford.)
single crystal
polycrystal:
low porosity
polycrystal:
high porosity
Óxido de aluminio
Efecto del procesado en las propiedades
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Efecto del procesado en las propiedades
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Estructura
Procesado
Propiedades
Aplicaciones <> Comportamiento en servicio
3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado
Procesos por fusión
Procesos de conformado
Procesos de unión
Procesos de mecanizado
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Estructura
Procesado
Propiedades
Aplicaciones <> Comportamiento en servicio
3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado
•Mecánicas (R, ductilidad,impacto…)
•Físico-Químicas (eléctricas,magnética, ópticas)
Endurecimiento por deformación plástica
Resistencia a la termofluencia con aumento detamaño de grano
Propiedades direccionales
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MonocristalGranos columnares
solidificadosdireccionalmente
Estructurapolicristalinaequiaxial
Efecto del procesado en las propiedades
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3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado
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3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado
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Factores que condicionan el método de procesado
Acabado exigido Precio
Material: disponibilidad,temperatura fusión, tipoestructura, afectación del
procesado
Peso o volumen de la pieza Complejidad geométrica Nº de piezas de serie Requerimientos en servicio
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Estructura
Procesado
Propiedades
Aplicaciones <> Comportamiento en servicio
3. Relación Entre Estructura, Propiedades Y Procesado
•Fatiga
•Termofluencia
• Corrosión
•Desgaste
• Fractura
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Propiedades Mecánicas
Tensión y Deformación Deformación elástica y plásticaEnsayo de tracción <> resistencia, lím. elástico, tenacidad,resiliencia, ductilidad
Dureza
Ensayo de impacto: aplicación rápida de cargas<>tenacidad a la fractura, transición dúctil-frágil Fatiga <> límite de fatiga: aplicación cíclica de cargas Termofluencia: aplicación de cargas a alta T Tribología <> resistencia al desgaste
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Mecanismos de Endurecimiento por:
• Reducción tamaño de grano
• Solución sólida (aleaciones)
• Deformación plástica (acritud)
• Precipitación
• Dispersión (materiales compuestos)
• Tratamientos térmicos
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Siguiente paso: Selección de materialesEl objetivo: c rea r p rod uc tos q ue lleve n a c a b o su func ión d em ane ra e fec tiva , seg ura y a un c oste a c ep tab le . Asbhy M.F.
¿Qué se necesita saber para ello?, mucho más que los datosde ese material.
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Selección de materiales
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¿Qué material es el apropiado?Dentro de un tipo determinado, ¿Cuál es el mejor?
Pasos en la selección de un material, ejemplo: BALA CILÍNDRICA DE GASEvaluar requisitos para almacenar gases a ↑ P (14 MPa)
Eliminar materiales que no cumplan característicaslimitantes: (Rmecánica y tenacidad): polímeros y cerámicos
Elegir el de menor coste: metales
MetalÓPTIMO
4. Selección de materiales
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Pasos en la selección de un material: Aeronave espacial
Evaluar requisitos para componentes estructurales del interior de laaeronave
Característica limitante: DENSIDAD
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Temperatura del motor
T , ºC
125ºC
315ºC
650ºC
1100ºC
1950ºC
Turboreactor
Reactor supersónico
Años 30:
Refrigerado por aire
I Guerra Mundial:
Refrigerado por agua
Fan-jet
EVOLUCIÓN DE LA TEMPERATURA DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES DE AERONAVES
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En cualquier
aplicación el tipo dematerialesempleados ha idoevolucionando y
cambiando conformese investiga en
Ciencia de Materiales
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