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MT 1113CIENCIA DE LOSMATERIALES
Prof. Yliana [email protected]
Departamento de Ciencia de los MaterialesMEM 2do piso
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MT-1113 CONTENIDO
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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
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MT-1113 CONTENIDO
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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
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MT-1113 CONTENIDO
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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
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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.
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MT-1113 CONTENIDO
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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
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MT-1113 EVALUACIN
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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)
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MT-1113 DATOS DE INTERS
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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.
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MT-1113 MATERIALES
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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
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MT-1113 MATERIALESCiencias e Ingeniera de los Materiales
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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)
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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
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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
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MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESDe acuerdo a la funcin que cumplen
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MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESDe acuerdo a sus propiedades
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MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESEvolucin de los materiales en el tiempo
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Materiales
naturales
Materiales
fabricados
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MT-1113 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Metales
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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
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MT-1113 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
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
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MT-1113 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
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
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MT-1113 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Polmeros
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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
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MT-1113 PROPIEDADES DE LOSMATERIALESElastmeros
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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
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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
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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
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MT-1113 PROPIEDADES DE LOSMATERIALES
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Para poder disear o seleccionar materiales para una aplicacin especfica es necesario conocer las propiedades
del material
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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
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASElstico o plstico?
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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
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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
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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 (
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASComportamiento no-elstico
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEnsayo de traccin
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEnsayo de traccin
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Con los datos obtenidos en el ensayo de traccin se
construye la curva esfuerzo-deformacin
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASMdulo de Young
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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
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEsfuerzo de fluencia
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEsfuerzo de fluencia
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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.
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEsfuerzo de fluencia
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEsfuerzo de fluencia
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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)
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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).
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASPropiedades obtenidas de un ensayo de traccin
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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:
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASPropiedades obtenidas de un ensayo de traccin
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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
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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.
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASEsfuerzo real y deformacin real
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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)
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASMorfologa luego de un ensayo de traccin
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASCurva esfuerzo deformacin
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASDureza
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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:
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASDureza
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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)
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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.
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICAS
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
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASImpacto
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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
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASImpacto
53Morfologa de muestras ensayadas bajo impacto a distintas temperaturas
T (C)
Deformacin / ductilidad
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICASDesgaste
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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
!"
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MT-1113 PROPIEDADESMECNICAS
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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
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MT-1113 PROPIEDADES TRMICASTemperaturas
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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.
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MT-1113 PROPIEDADES TRMICASCapacidad calrica
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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
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MT-1113 PROPIEDADES TRMICASConductividad trmica
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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:
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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:
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MT-1113 PROPIEDADES TRMICASCoeficiente de expansin trmica
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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).
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MT-1113
Choques trmicos / Termofluencia
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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
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MT-1113 PROPIEDADES TRMICASPropiedades Trmicas
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MT-1113 PROPIEDADES ELCTRICASResistividad / Conductividad
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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.
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MT-1113 PROPIEDADES ELCTRICASConstante dielctrica
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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.
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MT-1113 PROPIEDADES PTICASndice de refraccin
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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.
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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
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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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos
77
Aceros 0.05 < %C < 2.0
Fundiciones2.0 < %C < 4-4.5
baja aleacin
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos
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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos
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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos
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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos
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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos
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
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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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos
85
Aceros 0.05 < %C < 2.0
Fundiciones2.0 < %C < 4-4.5
baja aleacin
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MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales Ferrosos
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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales No Ferrosos
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)
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales No Ferrosos
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)
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales No Ferrosos
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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales No Ferrosos
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
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MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales No Ferrosos
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
-
MT-1113 METALES Y ALEACIONESMateriales No Ferrosos
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
-
MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESDe acuerdo a su composicin y estructura atmica
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
-
MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESDe acuerdo a su composicin y estructura atmica
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
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MT-1113 MATERIALES
Comparacin entre propiedades
112
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MT-1113 CLASIFICACIN DE LOSMATERIALESDe acuerdo a su composicin y estructura atmica
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
MATERIALES COMPUESTOS
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)
MATERIALES COMPUESTOS
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
MATERIALES COMPUESTOS
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
MATERIALES COMPUESTOS
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
MATERIALES COMPUESTOS
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
MATERIALES COMPUESTOS
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
MATERIALES COMPUESTOS
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/
MATERIALES COMPUESTOS
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
MATERIALES COMPUESTOS
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
MATERIALES COMPUESTOS
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)
-
MT-1113 DISEOExplorando las propiedades de los materiales
134
-
MT-1113 DISEOExplorando las propiedades de los materiales
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
-
MT-1113 SELECCIN DEMATERIALES
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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESAplicar restricciones (filtro)
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Restricciones:
1. Habilidad para ser moldeado
2. Transparente
Eliminamos los metales, aleaciones y las cermicas. Slo algunos polmeros y vidrios son
transparentes
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALES
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
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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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALES
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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESDocumentacin
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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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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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
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
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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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
2. Aplicar las restricciones:
Materiales eliminados (temperatura max. de servicio < 50C): aleaciones de plomo, PMMA, Ionomeros, EVA
Materiales eliminados (
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALES
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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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
2. Aplicar las restricciones:
Materiales eliminados: materiales compuestos, cermicas tcnicas
Posibles candidatos: metales y aleaciones (menos aceros de baja aleacin, aleaciones de Pb, Mg, Zn)
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MT-1113
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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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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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MT-1113 SELECCIN DEMATERIALESCaso prctico
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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