tema 8 materiales para ingeniería...2014/08/14  · 1 1 tema 8 materiales para ingeniería 2 tema...

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Tema 8Materiales para ingeniería

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Tema 8: Materiales para ingeniería

1. Aleaciones férreas

2. Aleaciones no férreas1. Aluminios

2. Titanios

3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni

4. Aleaciones de cobre

3. Polímeros

4. Materiales cerámicos

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1. Aleaciones férreas

1.1. Aceros al carbono

1.2. Aceros aleados

1.3. Fundiciones

1.4. Aceros inoxidables

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1.1. Aceros al carbono

Aleaciones de Fe-C con algo de Mn (0.30-0.95%) paramejorar la resistencia

Aceros bajos en carbono(C<0.2%)

Aceros medios en carbono(0.2%<C<0.5%)

Aceros de alto carbono(0.6%<C<0.95%)

Poca resistencia, muchaductilidad

(body panels in cars)

Más resitentes, menos dúctiles(ejes, engranajes)

Alta resistencia, bajaductilidad

(muelles, matrices, cuchillas)

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1.1. Aceros al carbono

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1.1.Aceros al carbono

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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1.1. Aceros al carbono

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1.2. Aceros aleados

Necesidad:

•Mejora en las propiedades mecáncicas (alta resitencia con buena ductilidad/tenacidad)

•Mejora de la resitencia a la oxidación/corrosión

Desarrollo de aleaciones a medida según los requerimientos:

•Adición de aleantes (Mn, Ni, Cr, Mo, W, V, Co, B, Cu, Al, Pb, Ti, Nb)

•Tratamientos térmicos

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1.2. Aceros aleados

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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1.2. Aceros aleados

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1.2. Aceros aleados

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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1.2. Aceros aleados

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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1.3. Aceros inoxidablesSe utilizan fundamentalemente por su resistencia a la corrosión.

Adición de Cr Oxido superficial que protege de la corrosión

Inoxidables ferríticos (BCC)

12%<Cr<30%

Inoxidables martensíticos

12%<Cr<17% + 0.15-1% C

Inoxidables austeníticos

16%<Cr<25% + %7<Ni<20%

Resistentes a corrosión y altastemperaturasElementos de construcción

Capacidad de endurecimientoRodamientos, útiles quirúrgicos

Excelente resitencia a la corrosiónIndustria química

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1.3. Aceros inoxidables

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1.3. Aceros inoxidables

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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1.3. Aceros inoxidables

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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1.4. Fundiciones

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

Aleaciones férreas con 2-4% C y 1-3% Si

Diseñadas para ser fundidas, solidifican contrayendo poco

Amplia gama de durezas. Se pueden alear para obtener resitencia a desgaste, abrasión y corrosión.

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1.4. Fundiciones

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1.4. Fundiciones

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.1. Aleaciones de aluminio

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.1. Aleaciones de aluminio

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2.1. Aleaciones de aluminio

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.1. Aleaciones de aluminio

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=&pageid=1

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2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni

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2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

Mg alloy EZ33A – as cast Ni-base super alloy – heat treated

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2.4. Aleaciones de cobre

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.4. Aleaciones de cobre

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2.4. Aleaciones de cobre

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.4. Aleaciones de cobre

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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Materiales para biomedicina

• Compatibilidad química• Resistencia a la corrosión• Resistencia mecánica• Rigidez adecuada

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3. Polímeros

Son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros

Tipos de polímeros:• Polímeros naturales: Celulosa, colágeno, queratina, seda, lana,…• Polímeros sintéticos:

– Termoplásticos: Fluyen, pasando al estado líquido al aumentar la temperatura. Pueden ser moldeados por calentamiento. Su estructura interna presenta pocos entrecruzamientos

– Termoestables: Se descomponen al calentarlos. Su estructura interna tiene muchos entrecruzamientos.

– Elastómeros: Bajo módulo elástico. Se deforman mucho de manera casi reversible.

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Polímeros amorfosPolímeros amorfos: las moléculas forman una masa completamente enmarañada.

Polímeros cristalinosPolímeros cristalinos: las moléculas (cadenas) se disponen según un ordenamiento regular.

No hay polímeros 100% cristalinos

3. Polímeros

Polímeros amorfos Tg (temperatura de transición vítrea)

Polímeros cristalinos Tg y Tm (temperatura de fusión)

Parte amorfa Parte cristalina

T < Tg

T > Tg

Duros y frágiles

Blandos y flexibles

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Valores de Tg y Tm en polímeros comunes

3. Polímeros

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PS Poliestireno

PVC Policloruro de vinilo

PP Polipropileno

PE Polietileno

Commodity plastics

Polímeros fluorados

Polímeros acrílicos

Policarbonato

Poliésteres

PA poliamidas

Engineering

TERMOPLASTICOS

Elastomeros

Siliconas

Poliuretanos

Epoxídicas

Poliésteres

Resinas amínicas

Fenólicos

TERMOESTABLES

PolímerosSintéticos

3. Polímeros

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Es uno de los polímeros de mayor consumo debido a sus propiedades y fundamentalmente a su bajo costo.

Propiedades generales

• Alta resistencia eléctrica• Buen aislante térmico• Bajo costo y facilidad de manufactura• Color blanco lechoso

Limitaciones del polietileno:• Bajo punto de reblandecimiento, • Pobre resistencia al rallado, • Falta de rigidez, • Baja resistencia a la tracción• Alta permeabilidad a los gases.

- (CH2-CH2)n-3. Polímeros. Polietileno (PE)

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LDPE Polietileno de baja densidadSe forma con la polimerización a T alta y P elevadas

Cadenas muy ramificadas y bajo grado de cristalinidad (<40%).

ρ= 0.92-0.94 g/cm3

Se emplea cuando se requiere un plástico flexible, con resistencia al impacto y resistencia a la formación de grietas.

HDPE Polietileno de alta densidad

Se forma con la polimerización a T alta y P bajas

Cadenas con ramas cortas y alto grado de cristalinidad. ρ ≈ 0.96 g/cm3

Presenta la desventaja de fragilidad frente al LDPE

3. Polímeros Tipos de PE

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Aplicaciones:Maquinaria y automoción: asas, tiradores, tapones, juntas, revestimiento interior...Electrotecnia: aislamiento de cables de alta tensión y telecomunicaciónConstrucción: tuberías de agua potable y desagüe, de calefacción, codos, césped artificial...Transporte: contenedores, cajas-botellero, bidones, cubos de basura...Diversos: recipientes de uso doméstico, guantes, bolsas de la compra, monofilamentos para tejidos y sogas...

3. Polímeros. PE

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3. Polímeros. Policloruro de vinilo (PVC)

CH2 CH Cl n

Propiedades PVC rígido

• Resistente a la llama

• Buena resistencia al agua

• Resistente a la acción de hongos, bacterias, insectos y roedores

• El PVC da un aislamiento (térmico, eléctrico y acústico) moderado.

Propiedades del PVC plastificado (adición de disolvente)

• Se reduce rigidez y fragilidad.

• Disminución resistencia a la tensión.

• Se reduce mucho la Tg, pasando de región rígida a tipo GOMOSA..

• El aislamiento es menor que el PVC Rígido

• Buena resistencia a la abrasión

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Aplicaciones

• Construcción: tubos para distribución de agua potable; ventanas; puertas; persianas…

• Envase : botellas (agua mineral, aceites comestibles, zumos,…)

• Juguetes: muñecas, pelotas, etc. • Medicina: Bolsas para suero, plasma y sangre, guantes quirúrgicos…• Automóvil: paneles de puertas, tableros de mandos, perfiles embellecedores,

cables eléctricos, juntas de ventanas, tapicerías, etc.• Electricidad y electrónica: cables eléctricos para uso doméstico e industrial,

perfiles rígidos para cables, tubos, enchufes, etc.

3. Polímeros. Policloruro de vinilo (PVC)

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Propiedades• Similar al PE pero tiene densidad más baja• Resisten perfectamente el agua hirviendo• No sufre roturas bajo tensión • Capaz de resistir continuas y prolongadas flexiones

AplicacionesEnvases de film: golosinas, galletitas...Envases de inyección: yogures, mantequilla, tapas...Botellas para agua o zumosIndustria automovilística: parachoques, adornos interiores,

bastidores del aire acondicionado y la calefacción. Equipos esterilizables para hospitalesPartes de lavadoras y tuberías de agua caliente

3. Polímeros. Polipropileno PP

CH2 CH CH3 n

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3. Polímeros. Poliestireno (PS)

CH2 CH n

Propiedades• Material transparente y con brillo .• Resistente al agua => empaquetado de alimentos • Baja resistencia al impacto (fragilidad)• Buen aislante (peor que el PE) aunque necesita aditivos para controlar

su acusada tendencia a acumular cargas electrostáticas.• El material amarillea con la exposición a la luz UV y el oxígeno.

Aplicaciones

Se utiliza principalmente en aplicaciones dónde se requiere rigidez y transparencia del material a bajo costo.

• En envasado de alimentos: envases desechables.

• Como filamento en pelos para cepillos y en objetos de decoración.

• Otras aplicaciones son: Vasos de usar y tirar, cubiertosdesechables,

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3. Polímeros. Poliestireno expandido (EPS)

Material plástico celular y rígido fabricado a partir del moldeo de poliestireno (90-95%) y un agente expansor gaseoso (p. ej. CO2)

Aplicaciones:

• Como aislamiento térmico y/ó acústico en obra civil

• Como material de envase y embalaje en alimentación, electrodomésticos, electrónica e informática, juguetes, …

• Cascos protectores para ciclistas y motoristas, flotadores, salvavidas y tablas de surf. ;

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3. Polímeros. Poliesteres (PET y PBT)

Polietileno tereftalato PET

Tipos– A-PET (amorfo): transparente, Tmolde<40º– C-PET(semicristalino): opaco, mejores propiedades, Tmolde<140º– Tuso C>Tuso A

Propiedades y aplicaciones del PET

–Económico

–Resistencia a tracción

–Tenaz, duro, resistente al calor

Es uno de los termoplásticos más usados en la fabricación de botellas y envases de uso alimentario: •Cristalinidad y transparencia, aunque admite cargas de colorantes•Muy buena barrera a CO2, aceptable barrera a O2 y humedad.•Totalmente reciclable

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4. Materiales cerámicosLos cerámicos son materiales no orgánicos formados por la combinación de elementos metálicos y no-metálicos unidos por enlaces covalentes e iónicos.

Propiedades generales:• Son duros y frágiles• Alto punto de fusión• Estabilidad química• Buenos aislantes eléctricos y térmicos (hay cerámicas

conductoras)

Cerámicos tradicionales: barro, sílice…Cerámicas Técnicas: Alúmina, Nitruro de silicio, Carburo de

silicio,…

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4. Materiales cerámicosCampos de aplicación:Mecánica : Herramientas de corte, cierres, piezas en bombas, válvulas…Transferencia de calor: Aislamiento, radiación, elementos calefactores,

crisoles,…Electromagnéticas: Condensadores, Sustratos y dieléctricos en CI,

aislantes, sensoresOptica: Fibras ópticas, LEDs,…Química/biología: Catalizadores, prótesis,…

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4. Materiales cerámicos. Si3N4

Material estructural para altas temperaturas• Resistencia al desgaste a altas temperaturas• Resistencia al choque térmico• Resistencia a la oxidación• Baja densidad

Propiedades

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4. Materiales cerámicos. Si3N4

Aplicaciones:• Boquillas para soldadores por arco• Termopares• Rotores de turbinas• Componentes para desgaste: bolas de

rodamientos para alta temperatura• Herramientas de corte para superalaeaciones

y fundiciones• Matrices de extrusión para metales

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4. Materiales cerámicos. SiCMaterial estructural para altas temperaturas• Alta resistencia a altas temperaturas• Abrasivos• Resitente a la corrosión y oxidación• Baja tenacidad

Propiedades

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4. Materiales cerámicos. SiCAplicaciones• Materiales resistentes a la

abrasión: sellos mecáncos, válvulas, bolas de rodamientos

• Equipos de pulido• Intercamniadores de calor y

elementos calefactores• Turbinas de gas

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4. Materiales cerámicos. Al2O3

Comercialemente, uno de los cerámicos más usados• Aislante eléctrico• Duro• Biocompatible• Resistente a la abrasión

Propiedades

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4. Materiales cerámicos. Al2O3

Aplicaciones• Bujías• Porcelana• Herramientas de corte• Losetas y ladrillos para aislamiento térmico• Crisoles• Biomedicina• Vidrios

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4. Materiales cerámicos. Aislamiento térmico

SiO2

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4. Materiales cerámicos. Vidrio

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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4. Materiales cerámicos. Vidrio

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4. Materiales cerámicos. Vidrio templado

Vidrio laminado

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4. Materiales cerámicos. Microelectrónica

Fuente: Jose A. Maiz- Intel Co. – San Sebastián- Diciembre 04