ciencia materiales tema 1 intro

FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES.

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA. PRIMER CURSO.

ESCUELA POLITÉCNICA

SUPERIOR.DEPARTAMENTO DE MECÁNICA.

AREA DE CONOCIMIENTO: CIENCIA DE LOS MATERIALES E INGENIERÍA METALÚRGICA

TEMA1: INTRODUCCION

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TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS

MATERIALES

1. Concepto de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

2. Relación Estructura-Propiedades-Procesado de Materiales.

3. Materiales Industriales: Grupos Principales y Propiedades.

4. Selección de materiales en ingeniería.

FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES.

GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA. PRIMER CURSO. ESCUELA

POLITÉCNICA SUPERIOR.

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA.

AREA DE CONOCIMIENTO: CIENCIA DE LOS MATERIALES E INGENIERÍA METALÚRGICA

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1.- CONCEPTO DE CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES.

• Análisis de microestructuras• Conocimiento de propiedades.• Innovación de métodos de

procesado.• Mejoras del comportamiento en

servicio.

Ciencia de materiales. Una disciplina científica íntimamente relacionada con lainvestigación, que tiene por objeto el conocimiento básico de la estructura interna,propiedades y procesamiento de los materiales.

Ingeniería de materiales. Una disciplina de ingeniería que trata del conocimiento de los materiales a niveles fundamentales y aplicado, con objeto de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por una sociedad tecnológica.

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Procesado

Estructura

a) Subatómica.b) Ordenamiento atómico.c) Subestructura.

d) Microestructura

e) Macroestructura

a) Físicasb)Físico-Químicas y tecnológicas.c) Otras.

Propiedades

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• Procesos de fabricación.• Procesos de modificación de propiedades.

2.- RELACIONES ENTRE ESTRUCTURA, PROPIEDADES y PROCESADO DE LOS MATERIALES.

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A-1) Estructura subatómica: Configuración de electrones en niveles energéticos.

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A-2) ESTRUCTURA DE ORDENAMIENTO ATÓMICO:

• CONFIGURACIÓN DE LOS ÁTOMOS EN SU DISPOSICIÓN ESPACIAL DENTRO DEL SÓLIDO

• ESTRUCTURAS ORDENADAS O DESORDENADAS: ESTADOS CRISTALINO Y VÍTREO.

• MARGEN DE RESOLUCIÓN EN LONGITUD: 1 A 10 Å .• CARACTERIZACIÓN MEDIANTE DIFRACCIÓN DE RAYOS X, DIFRACCIÓN DE

ELECTRONES Y MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE ALTA RESOLUCIÓN

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A-3) SUBESTRUCTURA .

• NIVEL DE ORDENAMIENTO EN EL QUE SE MANIFIESTAN DETALLES DE LA ESTRUCTURA INTERNA DE LOS SÓLIDOS CON MÁRGENES DE RESOLUCIÓN DE 1 A 100 NANÓMETROS.

• DEFECTOS SUPERFICIALES, PLANARES, LINEALES Y PUNTUALES EN MATERIALES CRISTALINOS.

• NANOCRISTALES.

• OBSERVACIÓN A TRAVÉS DE TEM

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A-4) MICROESTRUCTURA:

• NIVEL DE ORGANIZACIÓN INTERNA QUE PERMITE DISTINGUIR DETALLES ESTRUCTURALES OBSERVABLES A TRAVÉS DE MICROSCOPÍA ÓPTICA O ELECTRÓNICA DE BARRIDO, SEM.

• MARGEN DE RESOLUCIÓN: 1 A 100 MICRAS

• FASES Y MICROCONSTITUYENTES EN LOS SÓLIDOS, ESTRUCTURA GRANULAR EN MATERIALES CRISTALINOS, RECUBRIMIENTOS DE SUPERFICIE, MICRODEFECTOS DE PROCESADO…

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A-5.-MACROESTRUCTURA:

• NIVEL EN EL QUE SE APRECIAN LOS DETALLES MACROSCÓPICOS, OBSERVABLES A SIMPLE VISTA, CON INSTRUMENTOS ÓPTICOS DE BAJOS AUMENTOS, O BIEN CON TÉCNICAS NO DESTRUCTIVAS (RADIOLOGÍA, ULTRASONIDOS…).

• DEFECTOLOGÍA EN EL PROCESADO Y FABRICACIÓN DE MATERIALES: FUNDICIÓN, SOLDADURA, FORJA, LAMINACIÓN…

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B.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES33

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* MECÁNICAS: - Resistencia a rotura. - Alargamiento (%) - Límite elástico - Tenacidad, Dureza, etc.

* FÍSICAS: - Eléctricas: Conductividad, cte dieléctrica… - Térmicas: Conductividad térmica,

capacidad calorífica - Magnéticas: Permeabilidad,

susceptibilidad magnética… - Ópticas: Índice de refracción,

absorbancia…

* QUÍMICAS: - Resistencia a la corrosión. - Reactividad en líquidos,gases…

Los materiales se emplean para almacenar o transmitir las variables que definen las diversas energías: mecánica, eléctrica, magnética, térmica, química, ondulatoria. Por ejemplo, la energía mecánica queda definida por las variables fuerza, F, y desplazamientos, L, a través de la expresión Los requerimientos que se solicitan definen propiedades físicas o químicas que son definidas específicamente en aquellas ciencias básicas y que constituyen el índice habitual del análisis de la Ciencia de Materiales. En el caso de la energía mecánica, la propiedad conexa es la definida como características mecánicas o resistentes. Se clasifican estas propiedades como componentes de cada tipo de energía, de forma que tendremos, la siguiente clasificación:

A. MecánicasB. TérmicasC. Eléctricas

C.1. Conducción eléctrica.C.2. Semiconducción eléctrica.C.3. Aislamiento eléctrico.

D. MagnéticasE. OndulatoriaF. Químicas

Familias según propiedades energéticas:

M F dL

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RELACIONES PROPIEDADES - ESTRUCTURA 38

PROPIEDADES-APLICACIONES DE LOS MATERIALES39

C-1) TÉCNICAS DE FABRICACIÓN O CONFORMACIÓN INDUSTRIAL :

• Conformación por Fundición/Moldeo: Fusión y solidificación en molde.

C,- PROCESADO40

• Conformación por deformación plástica (en frío o en caliente): Laminación plana (planchas, flejes, etc.), forja, extrusión, trefilado, formado de láminas, …

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• Conformación por deformación plástica (en frío o en caliente): Laminación plana (planchas, flejes, etc.), forja, extrusión, trefilado, formado de láminas, …

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• Conformación por sinterización: Proceso de interacción entre partículas, activado térmicamente, durante el cual una masa de polvo compactada, se densifica para solidificar con la composición preestablecida. También se refiere a los procesos para variar la porosidad del conjunto. PULVIMETALURGIA.

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• Técnicas especiales de fabricación: Obtención de monocristales, solidificación rápida, implantación iónica, etc..

• Técnicas de unión o ensamblaje: Soldadura, …

SOLIDIFICACIÓN RÁPIDA CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES

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C-2) TRATAMIENTOS DE MODIFICACIÓN DE PROPIEDADES:

• Tratamientos Térmicos: Ciclos de calentamiento y enfriamiento, tales como los distintos tipos de recocido, el normalizado, el temple y el revenido para las aleaciones férreas.

• Tratamientos Mecánicos: Deformación, impacto superficial (granallado) …• Tratamientos de Superficie: Recubrimientos protectores, refuerzo de propiedades

superficiales, acabados, etc..

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Los materiales industriales alcanzan un amplio espectro de aplicaciones y están constituidos de las materias primas más diversas. Para proceder a su estudio sistemático es necesario establecer unas familias de acuerdo con unos criterios preestablecidos.

a) Un criterio aceptado universalmente es el que singulariza las familias en función de la naturaleza de los componentes mas simples de los materiales. En este sentido habla de materiales: metálicos, cerámicos, poliméricos, compuestos y electrónicos.

b) Otro criterio de diferenciación de familias es por la semejanza de propiedades físicas específicas a las que se aplican en las diversas ingenierías. En este sentido podemos definir familias con propiedades mecánicas, de conducción eléctrica, magnéticas, térmicas, nucleares, resistencia frente a la corrosión, ópticas, etc.

Familias y tipos de materiales

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3.- Materiales Industriales: Grupos Principales y Propiedades.

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1. Materiales Industriales: Grupos Principales y Propiedades.

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• Metales y aleaciones refractarias,(Mo, Nb, W y Ta)• Superaleaciones (base Fe, Co, Ni)• Aleaciones de baja fusión (Pb, Zn,Sn)• Metales preciosos (Au, Ag, Pt)• Aleaciones con memoria de forma (Nitimol : 55%Ni-45%Ti)• Aleaciones amorfas (vidrios metálicos)• Espumas metálicas • Nanomateriales ( 1 a 100 nm)

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RELACIÓN COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA, PROPIEDADES52

1.- MATERIALES METÁLICOS:

• Estructura:

• Ordenamiento cristalino.• Unión interatómica: Enlace Metálico

• Propiedades:

• Alta conductividad eléctrica y térmica• Emisión electrónica• Ópticas: Reflexión y brillo• Mecánicas: ▫ Resistencia mecánica alta

▫ Plasticidad

* Procesado:• Adaptables a cualquier proceso de conformación industrial:

Fundición, Forja, Laminación, Mecanizado, etc..

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UTILIZACIÓN INDUSTRIAL DE LOS METALES:

- Aplicaciones conductoras : Cobre, Aluminio y sus aleaciones.

- Aplicaciones Estructurales: ▫Aleaciones férreas: Aceros (Fe-C..)

▫Aleaciones no férreas: Al, Cu, Ni, Ti, …

Componentes en un motor turbodiésel.

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2.- MATERIALES CERÁMICOS:

* Estructura:▫ Ordenamiento cristalino de átomos o

moléculas.▫ Uniones interatómicas: Enlaces Iónicos y

Covalentes

* Propiedades: ▫ Aislantes eléctricos y térmicos ▫ Temperaturas de fusión elevadas ▫ Propiedades Mecánicas:

- Durezas muy altas - No admiten deformación

plástica - Baja Tenacidad: Materiales

frágiles

* Procesado:▫ Difíciles de procesar por fusión▫ No procesables por deformación▫ Procesado por sinterización▫ Procesado por moldeo en húmedo (presencia de arcilla)

Nueva generación de materiales cerámicos.

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Cerámicas Estructurales:A)Tradicionales:

▫ Componentes: - Arcilla -

Sílice -

FeldespatosAplicaciones en Ladrillos, tejas, porcelanas, etc.. B) De Ingeniería:

▫ Oxídicas: - Alúmina ( Al2 O3 ) -

Circonia ( Zr O2 ) -

Magnesia ( Mg O )Aplicaciones: Aislantes y diseños

mecánicos▫ Anoxídicas:

- Carburo de silicio

- Nitruro de silicio

Aplicaciones: Diseños mecánicos Trabajos a

temperaturas elevadas

TIPOS Y APLICACIONES DE MATERIALES CERÁMICOS

Cerámicas Funcionales:

▫ Materiales Dieléctricos:- Titanatos (Ti O3 Ba)

▫ Materiales Piezoeléctricos- Titanatos (Ti O3 Ba, Ti

O3 Pb)- Circonatos (Zr O3 Pb)- Cuarzo.

▫ Materiales Magnéticos:- Duros y Blandos- Ferritas de : Fe, Ba, Sr

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3.- POLÍMEROS O MATERIALES POLIMÉRICOS* Estructura:

▫ Formación de Macromoléculas: Cadenas

▫ Uniones interatómicas: Enlaces Covalente

y uniones secundarias (Van der Waals)

* Propiedades: ▫ Ausencia de electrones libres: Aislantes

eléctricos y térmicos. ▫ Comportamiento mecánico:

- Resistencia mecánica ↓- Plasticidad elevada en

termoplásticos- Densidad ↓

▫ Resistencia a corrosión elevada▫ Bajo coste

* Procesado: ▫ Fácilmente adaptables a multitud de procesos industriales: Termoconformación,

Inyección, Extrusión...( Ver esquemas)

* Tipos: Propiedades y aplicaciones A) Polímeros termoplásticos

B) Polímeros termoendureciblesC) Elastómeros

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67A) TERMOPLÁSTICOS:

- Cadenas lineales- Plasticidad: Deslizamiento de cadenas- Ablandamiento con calor: termoplasticidad- Transición vítrea

- Aplicaciones: Aislamiento eléctrico, canalizaciones, tuberías, envases...

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B) TERMOESTABLES O TERMOENDIRECIBLES:69

- Cadenas con grupos funcionales más complejos. Extensión de enlaces entre cadenas. Configuraciones reticulares.- Estables con calor: No termoplasticidad- Tipos representativos: Resinas, bakelitas, melaminas, poliésteres...- Aplicaciones: Aislantes, aparallaje eléctrico, matriz de materiales composites...

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C) ELASTÓMEROS:

- Cadenas lineales rizadas: Comportamiento elástico elevado. - Presencia de enlaces insaturados en cadenas. Saturación y refuerzo de uniones: vulcanización- Aplicaciones: Juntas, sellado de uniones, fabricación de gomas, neumáticos....

ELASTÓMEROS: 74

4.-MATERIALES COMPUESTOS O COMPOSITES:

* Formados por dos o más materiales de los anteriores grupos.

* Finalidad: Obtener propiedades no obtenibles con uno solo de los componentes.

* Componentes: Matriz y Refuerzo.

▫ Matriz → Mayor proporción. Plasticidad y cohesión

Tipos: Polímero, Metal, Cerámico.

▫ Refuerzo → Resistencia y rigidez

Tipos: Cerámico, Metal, Polímero.

▫ Distribución de Refuerzos: Fibras, Partículas, laminar

* Ejemplos:

Composites reforzados con:

▫ Fibras: - F. vegetal/ Arcilla - Carbono, Boro, Vidrio/Resinas poliéster, epoxi, etc..

▫ Partículas: - Grava/cemento (Hormigón) - Carburos/Metal ( Cuchillas

corte) - Polvo W/Ag (Contactos

eléctricos)

▫ Láminas: - Chapados en industria de madera, construcción, etc..

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Los materiales compuestos se producen cuando dos materiales se unen para dar una combinación de propiedades que no puede ser obtenida en los materiales originales. Estos materiales se seleccionan para proporcionar combinaciones de propiedades poco usuales de rigidez, peso, resistencia, resistencia a corrosión, a altas temperaturas, dureza o conductividad. Los materiales compuestos pueden ser de metal-metal, metal-cerámica, metal-polímero, cerámica-cerámica o polímero-polímero.

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Ejemplos de Composites reforzados con: ▫ Fibras:

- Fibra vegetal/ Arcilla- Carbono, Boro, Vidrio/Resinas de poliéster, epoxi, etc..

▫ Partículas: - Grava/cemento (Hormigón) - Carburos/Metal ( Cuchillas corte) - Polvo W/Ag (Contactos eléctricos)

▫ Láminas:

- Chapados en industria de madera, construcción, etc..

Sin embargo, los materiales compuestos suelen clasificarse en tres categorías: Con partículas, con fibras y laminares, dependiendo de la forma del material.

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Compuestos reforzados con partículasEn estos materiales compuestos las partículas de material duro y frágil, dispersas de forma discreta y uniforme se rodean de una matriz más blanda y dúctil.Dependiendo del tamaño y la naturaleza de las partículas que influyen en las propiedades del compuesto, estos se clasifican en: a) Compuestos endurecidos por dispersión. b) Compuestos con partículas propiamente dichas

Cuando las partículas de refuerzo se encuentran uniformemente distribuidas, los compuestos tienen propiedades isotrópicas.Los compuestos fibrados pueden ser tanto isotrópicos como anisotrópicos y los compuestos laminares siempre tienen un comportamiento anisotrópico.

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Compuestos reforzados con fibras

Estos compuestos mejoran la resistencia, carga de rotura, la rigidez, la relación resistencia/peso, por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material de la matriz transmite los esfuerzos a las fibras y proporciona tenacidad y ductilidad al compuesto, mientras las fibras soportan la mayor parte de la fuerza o tensión aplicada.

Una característica de estos compuestos respecto a los endurecidos por dispersión es que la resistencia del compuesto aumenta tanto a temperatura ambiente como a elevadas temperaturas.

Se suelen emplear una gran cantidad de materiales reforzados. Desde la antigüedad se conoce el refuerzo de la paja en el adobe y en nuestros días está extendido el refuerzo de acero en estructuras, así como el refuerzo de fibras de vidrio sobre polímeros, fibras de boro o carbono, de propiedades excepcionales de resistencia o diminutos monocris-tales cerámicos denominados whiskers desarrollados para este objetivo.

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Los materiales de refuerzo presentan morfologías muy variadas con orientaciones características como las señaladas en la figura siguiente.Las fibras cortas suelen tener una orientación aleatoria, para fibras continuas se produce la orientación anisotrópica deliberada.Las fibras pueden disponerse como telas o tejidos o ser producidas en forma de fibras largas. También se puede cambiar la orientación en las capas alternadas de fibras largas.

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Comparación de módulo específico y resistencia específica de materiales metálicos y compuestos.

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5.- Materiales electrónicos:

• Compuestos de sustancias inorgánicas en base al silicio y germanio.

• Tipo de enlace interatómico: Covalente conformando estructura cristalina del tipo metálico.

• Tienen propiedades de semiconductividad o conductividad condicionada.

Ejemplos: Diodos, chips, tiristores en industria electrónica.

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4.- Selección de materiales en ingeniería.

Cuande se pretende diseñar un nuevo producto o mejorar uno existente, es necesario elegir sus materiales contituyentes de una manera racional, teniendo en cuenta todos los factores que influyen el el producto final así como en su ciclo de vida:

• PROPIEDADES• DISPONIBILIDAD • COSTES DE LA MATERIAS PRIMAS Y DEL PROCESO DE FABRICACIÓN• IMPACTO SOBRE EL MEDIO AMBIENTE• RECICLADO DE RESIDUOS• CONDICIONANTES DEL CONSUMIDOR, ETC.

Estas exigencias pueden agruparse en tres categorias:

1. CIENTIFICO-TECNOLÓGICAS.2. ECONÓMICAS.3. SOCIO-ECOLÓGICAS.

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UTILIZACION DE MATERIALES: ETAPAS

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Problem: Select suitable material for bicycle frame and fork.

Steel and alloys Wood

Carbon fiber Reinforced

plastic

Aluminumalloys

Ti and Mgalloys

Low cost but Heavy. LessCorrosionresistance

Light and strong. ButCannot be

shaped

Very light and strong. No corrosion.

Very expensive

Light, moderatelyStrong. Corrosion

Resistance.expensive

Slightly betterThan Al

alloys. But muchexpensive

Cost important? Select steelProperties important? Select CFRP

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