CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES TEMA 1 INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES Y ELECCIÓN DE LOS MISMOS.

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1 CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES TEMA 1 INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES Y ELECCIÓN DE LOS MISMOS

2 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos 1.Concepto de Ciencia y Tecnología de los Materiales. 2.Evolución de los Materiales. 3.Relación Estructura-Propiedades-Proceso. 4.Efectos Ambientales en los Materiales. 5.La elección del Material

3 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos 1.Concepto de Ciencia y Tecnología de los Materiales. 2.Evolución de los Materiales. 3.Relación Estructura-Propiedades-Proceso. 4.Efectos Ambientales en los Materiales. 5.La elección del Material

4 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Ingenieros Manejan Materiales 1.Concepto de ciencia y Tecnología de los Materiales.

5 Ingenieros Electricidad Ingenieros Electrónica Ingenieros Civiles Ingenieros Petróleo Ingenieros Automoción Ingenieros Aeroespaciales Ingenieros – Metalúrgica – Cerámica – Poliméricos – Compuestos Funcionamiento interruptores Circuitos Integrados Estructuras resistentes Barrenas y tuberías Materiales ligeros y resistentes Materiales ligeros resistentes a altas y bajas temperaturas Producir y conformar materiales económicos y con propiedades mejoradas TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Mejorar características de productos diseñados y fabricados

6 Metales y sus aleaciones Acero Aluminio Magnesio Zinc Hierro fundido Titanio Cobre Níquel Características Conductividad eléctrica Conductividad térmica Alta resistencia mecánica tanto a tracción como a compresión Alta rigidez Ductilidad o conformabilidad Resistencia al impacto TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Tipos de materiales

7 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Tipos de materiales Usos de los Metales y sus aleaciones Estructurales o de carga Conductores eléctricos Motores y generadores eléctricos Motores automoción Industria aeroespacial Herramientas

8 Materiales Cerámicos Ladrillos Vidrio Porcelana Materiales refractarios Abrasivos Aislamiento térmico y eléctrico Características Baja conductividad eléctrica Baja conductividad térmica Alta resistencia mecánica a compresión Frágiles y quebradizos Duros y no dúctiles Resistencia al impacto TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Tipos de materiales

9 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Tipos de materiales Usos Materiales Cerámicos Ladrillos Vidrio Porcelana Materiales refractarios Abrasivos Aislamiento térmico y eléctrico

10 Materiales Polímeros Caucho (hule) Plásticos Adhesivos Lubricantes Siliconas Hidrogeles Fibras Textiles Características Baja conductividad eléctrica Baja conductividad térmica Baja resistencia mecánica Dúctiles (termoplásticos) Resistentes (termoestables) Frágiles (termoestables) TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Tipos de materiales

11 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Tipos de materiales Usos Materiales Polímeros Elementos de protección Envases Aislamientos eléctricos Tuberías PVC Prótesis Fibras textiles Derivados del caucho Muebles y menaje Moldes Pavimentos

12 Materiales Semiconductores – Silicio – Germanio – Selenio – Arseniuro de Galio – Seleniuro de Zinc – Telururo de Plomo Características Conductividad eléctrica en un sentido Resistencia en sentido opuesto Baja resistencia mecánica Frágiles TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Tipos de materiales

13 Materiales Compuestos Madera contrachapada Paneles fenólicos Fibra de vidrio Fibra de carbono Fibra de boro Hormigón Asfalto Cermets (carburo cementado) Características Baja Conductividad eléctrica Ligeros Fuertes Dúctiles Resistencia a alta temperatura Dureza (herramientas de corte) Resistencia al impacto Comportamiento inerte TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Tipos de materiales

14 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Usos Materiales Compuestos Construcción Industria Aeronáutica Industria Aeroespacial Industria Deportes y Competición Tipos de materiales

15 Se trata de elegir los materiales necesarios para conducir una corriente entre los componentes alojados en una caja negra eléctrica. ¿Qué materiales se escogerían? El material que conduzca la corriente debe tener una elevada conductividad eléctrica, por lo que se requiere seleccionar un material metálico en forma de alambre (cobre, aluminio, oro, plata, etc.). Este alambre metálico deberá estar aislado de otros alambres y del resto de la caja negra para impedir cortocircuitos o arcos eléctricos. Los materiales cerámicos de recubrimiento serían un aislante excelente de los alambres, pero resultan rígidos y frágiles, el alambre no podría flexionarse sin romper el recubrimiento. En vez de ello, se elegiría un recubrimiento polimérico o plástico, que presenta características adecuadas como aislante, a la vez que tiene buena ductilidad. TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Ejemplo 1

16 ¿Qué materiales se utilizan para fabricar tazas para café?, ¿Qué propiedades especiales a estos materiales adecuados? Estas tazas están fabricadas normalmente de materiales cerámicos o plásticos que son buenos aislantes térmicos debido a su baja conductividad térmica. Los vasos desechables de poliestireno expandido son especialmente eficaces, ya que contienen muchas burbujas de aire que mejoran mucho la capacidad aislante. Estos vasos, en realidad, es posible considerarlos como hechos de un material compuesto formado por un polímero y un gas. Las tazas metálicas son poco usadas, ya que su alta conductividad térmica permite que el calor se transfiera rápidamente, pudiendo llegar a quemar la mano de quién las utilice. TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Ejemplo 2

17 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos 1.Concepto de Ciencia y Tecnología de los Materiales. 2.Evolución de los Materiales. 3.Relación Estructura-Propiedades-Proceso. 4.Efectos Ambientales en los Materiales. 5.La elección del Material

18 Importancia de los materiales en nuestra cultura TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Evolución de los materiales

19 Edad de piedra Piedra Madera Arcilla Cuero TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Evolución de los materiales

20 Edad del cobre Capacidad para producir y conformar los materiales. Satisfacer las necesidades Aparece la cerámica Descubrimiento de cambio de propiedades con el cambio térmico Edad del Bronce Selección de los Materiales Edad del Hierro TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Evolución de los materiales

21 Era Actual Comprendemos la relación entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades Capacitados en alto grado para modificar o adaptar las características de los materiales a las necesidades de nuestra sociedad Plásticos Vidrios Fibras Aleaciones TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Evolución de los materiales La ciencia de los materiales Implica investigar la relación entre estructura y propiedades de los materiales Ingeniería de los Materiales Fundamentada en las relaciones propiedades-estructura diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades

22 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos 1.Concepto de Ciencia y Tecnología de los Materiales. 2.Evolución de los Materiales. 3.Relación Estructura-Propiedades-Proceso. 4.Efectos Ambientales en los Materiales. 5.La elección del Material

23 ESTRUCTURA La estructura de un material se relaciona con la disposición de sus componentes internos Estructura subatómica : Electrones dentro de los átomos individuales e interacciones con su núcleo Estructura atómica: Organización espacial entre átomos o moléculas TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Relación estructura-propiedades-procesamiento Estructura microscópica : Organización de grandes grupos de átomos enlazados Estructura macroscópica: Organización elementos estructurales susceptibles de apreciarse a simple vista

24 PROPIEDADES Mecánicas : (respuesta al esfuerzo) Resistencia Rigidez Ductilidad Golpe repentino (impacto) Cargas cíclicas (fatiga) Altas temperaturas (termofluencia) Condiciones abrasivas (desgaste) Cambios estructurales pequeños tienen un efecto profundo sobre las propiedades mecánicas TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Relación estructura-propiedades-procesamiento Físicas : – Comportamiento eléctrico – Comportamiento magnético – Comportamiento óptico – Comportamiento térmico – Comportamiento elástico – Comportamiento químico Estas propiedades dependen tanto de la estructura como del procesamiento Minúsculas modificaciones en la estructura causan cambios profundos en conductividad eléctrica semicond.

25 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Relación estructura-propiedades-procesamiento

26 Metales Fusión de metales (colado, soldadura con y sin material de aporte, etc.) Conformado mediante altas presiones (forjado, trefilado, extrusión, laminado, doblado) Compactado de pequeñas partículas en una masa metálica sólida (metalurgia de polvos) Eliminando material excedente (maquinado) TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Relación estructura-propiedades-procesamiento Cerámicos Colado Conformado Extrusión o compactación cuando están húmedos Tratamiento térmico a temperaturas elevadas para desecar y aglutinar componentes Poliméricos Inyección Extruidos y conformados Tratados a temperaturas inferiores a la de fusión PROCESAMIENTO: Genera la forma deseada en un componente a partir de un material en bruto

27 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Relación estructura-propiedades-procesamiento PROCESAMIENTO: Genera la forma deseada en un componente a partir de un material en bruto Colado Soldadura Pegadura Forjado Trefilado Extrusionado Laminado Doblado Metalurgia de polvos Maquinado

28 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos 1.Concepto de Ciencia y Tecnología de los Materiales. 2.Evolución de los Materiales. 3.Relación Estructura-Propiedades-Proceso. 4.Efectos Ambientales en los Materiales. 5.La elección del Material

29 Carga: El tipo de carga a que está sometido un material puede cambiar radicalmente su comportamiento. El esfuerzo de fluencia por encima del cual el material experimenta un cambio permanente en sus dimensiones, es la propiedad más crítica, suele ser la consideración más importante en el diseño TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Efectos ambientales en los materiales Ejemplo: Un material con alto esfuerzo de fluencia puede fallar fácilmente con cargas menores si la carga es cíclica (fatiga) o si se aplica súbitamente (impacto) La relación estructura-propiedades-procesamiento recibe también la influencia del medio circundante al que se somete el material

30 Temperatura: Los cambios de temperatura alteran las propiedades de los materiales La resistencia de los materiales disminuye a medida que aumenta la temperatura. Cambios desastrosos por encima de la temperatura crítica. Las temperaturas bajas causan fragilidad de los materiales. Los materiales endurecidos por procesos térmicos pierden súbitamente su resisten- cia al ser calentados TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Efectos ambientales en los materiales La relación estructura-propiedades-procesamiento recibe también la influencia del medio circundante al que se somete el material

31 Atmósfera: La mayoría de los polímeros y de los metales reacciona con el oxígeno, particularmente a temperaturas elevadas. Algunos metales y cerámicos pueden desintegrarse muy severamente o ser atacados químicamente, mientras que otros se pueden autoproteger Los polímeros suelen endurecerse o despolimerizarse, tostarse o quemarse. Los aceros pueden reaccionar con el hidrógenos y volverse frágiles. TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Efectos ambientales en los materiales La relación estructura-propiedades-procesamiento recibe también la influencia del medio circundante al que se somete el material Corrosión: Los metales son atacados por diversos líquidos corrosivos siendo degradados uniforme o selectivamente, pudiendo desarrollar grietas o picaduras que ocasionan fallos prematuros. Las sustancias cerámicas suelen ser atacadas por otras sustancias cerámicas en estado líquido. Los polímeros suelen ser disueltos por sustancias disolventes

32 Radiación: La radiación de alta energía puede afectar a la estructura interna de todos los materiales ocasionando pérdida de resistencia, fragilidad o alteración crítica de las propiedades físicas. La dilatación producida por cavidades y burbujas de origen radiactivo, pueden causar cambios en las dimensiones externas de los materiales y provocar su agrietamiento TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Efectos ambientales en los materiales La relación estructura-propiedades-procesamiento recibe también la influencia del medio circundante al que se somete el material

33 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos 1.Concepto de Ciencia y Tecnología de los Materiales. 2.Evolución de los Materiales. 3.Relación Estructura-Propiedades-Proceso. 4.Efectos Ambientales en los Materiales. 5.La elección del Material

34 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Elección del material El problema del diseño y selección de materiales Aplicación: se debe cumplir unas funciones específicas Qué material cumple dichas funciones y de todos aquellos que las cumplen cual es el óptimo A este proceso se le llama diseño y selección de materiales y existen metodologías específicas para poder realizar la selección de forma sistemática Principal dificultad: El número de materiales disponibles es enorme; metales, cerámicas, plásticos y compuestos conforman un vasto menú (entre 50.000 y 100.000 materiales) que están a disposición de las personas que diseñan objetos e instrumentos.

35 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Elección del material Diagrama de bloques del proceso de diseño Necesidad del mercado Diseño inicial Definición general Diseño Detallado. Análisis detallado de componentes Especificaciones de producto. Prototipo ●Definir especificaciones ●Determinar las funciones del sistema ●Definir el principio de funcionamiento ●Definir componentes y requerimientos científico-tecnológicos, económicos y sociales de cada uno de ellos ●Fabricación de un prototipo ●Verificación de si el prototipo cumple las especificaciones definidas inicialmente ●En caso afirmativo, definir proceso deproducción ●En caso negativo volver a las etapas anteriores y modificar el diseño o la selección de materiales Análisis inicial de cada componente Parte fundamental del proceso y es la que vamos a analizar en este tema ●Modelar y analizar cada componente ●Seleccionar los materiales de cada componente que cumplen los requerimientos definidos previamente ●Modelar y analizar las ligaduras ●Analizar los componentes en detalle ●Seleccionar proceso de fabricación ●Optimizar prestaciones y costo ●Especificar planos de diseño

36 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Elección del material Propiedades generales de los diferentes tipos de materiales Esta es la variada carta de la que deberemos seleccionar el material idóneo. MaterialesPuntos FuertesDebilidades Metales ● Rigidez (E ≈ 100 GPa) ● Ductilidad ⇒ Moldeabilidad ● Tenacidad (K IC >50 MPa m 1/2 ) ● Elevado punto de fusión (T m ≈ 1000ºC) ● Elevada resistencia al choque térmico (ΔT ≈ 500ºC) ● Elevadas conductividades eléctricas y térmicas. ● Se deforman plásticamente(σ f ≈ 1MPa) ⇒ Aleaciones ● Baja dureza (H ≈ 3σ f ) ⇒ Aleaciones ● Baja resistencia a la fatiga (σ e ≈ 1/2σ f ) ● Elevada resistencia a la corrosión ⇒ recubrimientos Cerámicas ● Rigidez (E ≈ 200 GPa) ● Elevada resistencia a la fluencia y duras(σ f ≈ 3 GPa) ● Elevado punto de fusión (T m ≈ 2000ºC) ● Densidad moderada ● Resistencia a la corrosión ● Muy baja tenacidad (K IC ≈ 2 MPa m 1/2 ) ● Baja resistencia al choque térmico (ΔT ≈ 200ºC) ● Dificultad de moldeo ⇒ métodos de polvo Polímeros ● Ductilidad y moldeabilidad ● Resistencia a la corrosión ● Baja densidad ● Bajas conductividades eléctricas y térmicas ● Baja rigidez (E ≈ 2 GPa) ● Elevada Fluencia (σ f ≈ 2-100 MPa) ● Baja temperatura de transición vítrea (T g ≈ 100ºC) ⇒ fluyen a baja temperatura ● Tenacidad media (K IC ≈ 1 MPa m 1/2 ) Materiales compuestos ● Rigidez (E>50 GPa) ● Resistencia mecánica (σ f ≈ 200 MPa) ● Tenacidad (K IC >50 MPa m 1/2 ) ● Resistencia a la fatiga ● Resistencia a la corrosión ● Baja densidad ● Dificultad de moldeo ● Elevado costo ● Elevada fluencia (matrices poliméricas)

37 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Elección del material El proceso consta de tres etapas: 1.Definición de requerimientos para la aplicación considerada. 2.Cálculo del índice o índices de material para la aplicación 3.Selección del material usando el índice de material y los mapas de selección de materiales

38 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Elección del material 1. Requerimientos: Requerimientos científico-tecnológicos: Requerimientos específicos debe cumplir el material: Cargas, temperaturas, condiciones atmosféricas, conductividades térmica y eléctricas requeridas, aspecto superficial, etc. Requerimientos económicos: Coste por unidad de peso o volumen, su importancia depende del sector en el que esté. Se debe tener en cuenta coste de la materia prima, del proceso de fabricación y del transporte Requerimientos socio-ecológicos: Aspectos medioambientales, seguridad, normativa específica, reciclabilidad, Biodegradabilidad, etc.

39 TEMA 1: Introducción a los Materiales y elección de los Mismos Elección del material CH 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 composición porcentual en C dureza 2 Brinell 8 40020104002010 2 60120806012080 perlita fina perlita gruesa Puente Científico Aplicaciones Organización MicroscópicaPropiedades Macroscópicas SIGLO XXI: Diseño de materiales a la carta: Los requerimientos finales definen la estructura del material