Ciencia materiales tema 1 intro

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Published on February 19, 2014

Author: ignacioroldannogueras

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Ciencia e ingeniería de los materiales. T1. Introducción.

1 DEPARTAMENTO DE MECÁNICA. ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR. AREA DE CONOCIMIENTO: CIENCIA DE LOS MATERIALES E INGENIERÍA METALÚRGICA

2 DEPARTAMENTO DE MECÁNICA. AREA DE CONOCIMIENTO: CIENCIA DE LOS MATERIALES E INGENIERÍA METALÚRGICA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR. TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES 1. Concepto de Ciencia e Ingeniería de Materiales. 2. Relación Estructura-Propiedades-Procesado de Materiales. 3. Materiales Industriales: Grupos Principales y Propiedades. 4. Selección de materiales en ingeniería.

1.- CONCEPTO DE CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES. Ciencia de materiales. Una disciplina científica íntimamente relacionada con la investigación, que tiene por objeto el conocimiento básico de la estructura interna, propiedades y procesamiento de los materiales. Ingeniería de materiales. Una disciplina de ingeniería que trata del conocimiento de los materiales a niveles fundamentales y aplicado, con objeto de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por una sociedad tecnológica. •Análisis de microestructuras •Conocimiento de propiedades. •Innovación de métodos de procesado. •Mejoras del comportamiento en servicio. 3

4 2.- RELACIONES ENTRE ESTRUCTURA, PROPIEDADES y PROCESADO DE LOS MATERIALES. •Procesos de fabricación. •Procesos de modificación de propiedades. Procesado a) Subatómica. b) Ordenamiento atómico. c) Subestructura. a) Físicas b)FísicoQuímicas y tecnológicas. c) Otras. d) Microestructura e) Macroestructura Estructura Propiedades

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

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27 A-2) ESTRUCTURA DE ORDENAMIENTO ATÓMICO: • CONFIGURACIÓN DE LOS ÁTOMOS EN SU DISPOSICIÓN ESPACIAL DENTRO DEL SÓLIDO • ESTRUCTURAS ORDENADAS O DESORDENADAS: ESTADOS CRISTALINO Y VÍTREO. • MARGEN DE RESOLUCIÓN EN LONGITUD: 1 A 10 Å . • CARACTERIZACIÓN MEDIANTE DIFRACCIÓN DE RAYOS X, DIFRACCIÓN DE ELECTRONES Y MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE ALTA RESOLUCIÓN

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A-3) SUBESTRUCTURA . • NIVEL DE ORDENAMIENTO EN EL QUE SE MANIFIESTAN DETALLES DE LA ESTRUCTURA INTERNA DE LOS SÓLIDOS CON MÁRGENES DE RESOLUCIÓN DE 1 A 100 NANÓMETROS. • DEFECTOS SUPERFICIALES, PLANARES, LINEALES Y PUNTUALES EN MATERIALES CRISTALINOS. • NANOCRISTALES. • OBSERVACIÓN A TRAVÉS DE TEM 30

A-4) MICROESTRUCTURA: •NIVEL DE ORGANIZACIÓN INTERNA QUE PERMITE DISTINGUIR DETALLES ESTRUCTURALES OBSERVABLES A TRAVÉS DE MICROSCOPÍA ÓPTICA O ELECTRÓNICA DE BARRIDO, SEM. •MARGEN DE RESOLUCIÓN: 1 A 100 MICRAS •FASES Y MICROCONSTITUYENTES EN LOS SÓLIDOS, ESTRUCTURA GRANULAR EN MATERIALES CRISTALINOS, RECUBRIMIENTOS DE SUPERFICIE, MICRODEFECTOS DE PROCESADO… 31

A-5.-MACROESTRUCTURA: • NIVEL EN EL QUE SE APRECIAN LOS DETALLES MACROSCÓPICOS, OBSERVABLES A SIMPLE VISTA, CON INSTRUMENTOS ÓPTICOS DE BAJOS AUMENTOS, O BIEN CON TÉCNICAS NO DESTRUCTIVAS (RADIOLOGÍA, ULTRASONIDOS…). • DEFECTOLOGÍA EN EL PROCESADO Y FABRICACIÓN DE MATERIALES: FUNDICIÓN, SOLDADURA, FORJA, LAMINACIÓN… 32

B.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 33

34 * MECÁNICAS: - Resistencia a rotura. - Alargamiento (%) - Límite elástico - Tenacidad, Dureza, etc. * FÍSICAS: - Eléctricas: Conductividad, cte dieléctrica… - Térmicas: Conductividad térmica, capacidad calorífica - Magnéticas: Permeabilidad, susceptibilidad magnética… - Ópticas: Índice de refracción, absorbancia… * QUÍMICAS: - Resistencia a la corrosión. - Reactividad en líquidos,gases…

35 Familias según propiedades energéticas: Los materiales se emplean para almacenar o transmitir las variables que definen las diversas energías: mecánica, eléctrica, magnética, térmica, química, ondulatoria. Por ejemplo, la energía mecánica queda definida por las variables fuerza, F, y desplazamientos, L, a través de la expresión M F d L Los requerimientos que se solicitan definen propiedades físicas o químicas que son definidas específicamente en aquellas ciencias básicas y que constituyen el índice habitual del análisis de la Ciencia de Materiales. En el caso de la energía mecánica, la propiedad conexa es la definida como características mecánicas o resistentes. Se clasifican estas propiedades como componentes de cada tipo de energía, de forma que tendremos, la siguiente clasificación: A. Mecánicas B. Térmicas C. Eléctricas C.1. Conducción eléctrica. C.2. Semiconducción eléctrica. C.3. Aislamiento eléctrico. D. Magnéticas E. Ondulatoria F. Químicas

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39 PROPIEDADES-APLICACIONES DE LOS MATERIALES

C,- PROCESADO C-1) TÉCNICAS DE FABRICACIÓN O CONFORMACIÓN INDUSTRIAL : •Conformación por Fundición/Moldeo: Fusión y solidificación en molde. 40

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

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

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

45 •Técnicas especiales de fabricación: Obtención de monocristales, solidificación rápida, implantación iónica, etc.. •Técnicas de unión o ensamblaje: Soldadura, … SOLIDIFICACIÓN RÁPIDA CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES

46 C-2) TRATAMIENTOS DE MODIFICACIÓN DE PROPIEDADES: •Tratamientos Térmicos: Ciclos de calentamiento y enfriamiento, tales como los distintos tipos de recocido, el normalizado, el temple y el revenido para las aleaciones férreas. •Tratamientos Mecánicos: Deformación, impacto superficial (granallado) … •Tratamientos de Superficie: Recubrimientos protectores, refuerzo de propiedades superficiales, acabados, etc..

47 3.- Materiales Industriales: Grupos Principales y Propiedades. Familias y tipos de materiales Los materiales industriales alcanzan un amplio espectro de aplicaciones y están constituidos de las materias primas más diversas. Para proceder a su estudio sistemático es necesario establecer unas familias de acuerdo con unos criterios preestablecidos. a) Un criterio aceptado universalmente es el que singulariza las familias en función de la naturaleza de los componentes mas simples de los materiales. En este sentido habla de materiales: metálicos, cerámicos, poliméricos, compuestos y electrónicos. b) Otro criterio de diferenciación de familias es por la semejanza de propiedades físicas específicas a las que se aplican en las diversas ingenierías. En este sentido podemos definir familias con propiedades mecánicas, de conducción eléctrica, magnéticas, térmicas, nucleares, resistencia frente a la corrosión, ópticas, etc.

Indus triale s: Grup os Princ ipale sy Propi edad es. 48

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

RELACIÓN COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA, PROPIEDADES 52

53 1.- MATERIALES METÁLICOS: • Estructura: • • Ordenamiento cristalino. Unión interatómica: Enlace Metálico • Propiedades: • • • • Alta conductividad eléctrica y térmica Emisión electrónica Ópticas: Reflexión y brillo Mecánicas: ▫ Resistencia mecánica alta ▫ Plasticidad * Procesado: • Adaptables a cualquier proceso de conformación industrial: Fundición, Forja, Laminación, Mecanizado, etc..

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56 UTILIZACIÓN INDUSTRIAL DE LOS METALES: - Aplicaciones conductoras : Cobre, Aluminio y sus aleaciones. - Aplicaciones Estructurales: ▫Aleaciones férreas: Aceros (Fe-C..) ▫Aleaciones no férreas: Al, Cu, Ni, Ti, … Componentes en un motor turbodiésel.

57 2.- MATERIALES CERÁMICOS: * Estructura: ▫ Ordenamiento cristalino de átomos o moléculas. ▫ Uniones interatómicas: Enlaces Iónicos y Covalentes * Propiedades: ▫ Aislantes eléctricos y térmicos ▫ Temperaturas de fusión elevadas ▫ Propiedades Mecánicas: - Durezas muy altas - No admiten deformación plástica - Baja Tenacidad: Materiales frágiles * Procesado: ▫ Difíciles de procesar por fusión ▫ No procesables por deformación ▫ Procesado por sinterización ▫ Procesado por moldeo en húmedo (presencia de arcilla) Nueva generación de materiales cerámicos.

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59 TIPOS Y APLICACIONES DE MATERIALES CERÁMICOS Cerámicas Estructurales: A)Tradicionales: ▫ Componentes: - Arcilla - Sílice - Feldespatos Aplicaciones en Ladrillos, tejas, porcelanas, etc.. B) De Ingeniería: ▫ Oxídicas: - Alúmina ( Al2 O3 ) - Circonia ( Zr O2 ) - Magnesia ( Mg O ) Aplicaciones: Aislantes y diseños mecánicos ▫ Anoxídicas: - Carburo de silicio - Nitruro de silicio Aplicaciones: Diseños mecánicos Trabajos a temperaturas elevadas Cerámicas Funcionales: ▫ Materiales Dieléctricos: - Titanatos (Ti O3 Ba) ▫ Materiales Piezoeléctricos - Titanatos (Ti O3 Ba, Ti O3 Pb) - Circonatos (Zr O3 Pb) - Cuarzo. ▫ Materiales Magnéticos: - Duros y Blandos - Ferritas de : Fe, Ba, Sr

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63 3.- POLÍMEROS O MATERIALES POLIMÉRICOS * Estructura: Formación de Macromoléculas: Cadenas Uniones interatómicas: Enlaces Covalente y uniones secundarias (Van der Waals) * Propiedades: Ausencia de electrones libres: Aislantes eléctricos y térmicos. Comportamiento mecánico: - Resistencia mecánica ↓ - Plasticidad elevada en termoplásticos - Densidad ↓ Resistencia a corrosión elevada Bajo coste * Procesado: ▫ Fácilmente adaptables a multitud de procesos industriales: Termoconformación, Inyección, Extrusión...( Ver esquemas) * Tipos: Propiedades y aplicaciones A) Polímeros termoplásticos B) Polímeros termoendurecibles C) Elastómeros

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A) TERMOPLÁSTICOS: - Cadenas lineales - Plasticidad: Deslizamiento de cadenas - Ablandamiento con calor: termoplasticidad - Transición vítrea - Aplicaciones: Aislamiento eléctrico, canalizaciones, tuberías, envases... 67

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

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

ELASTÓMEROS: 74

75 4.-MATERIALES COMPUESTOS O COMPOSITES: * Formados por dos o más materiales de los anteriores grupos. * Finalidad: Obtener propiedades no obtenibles con uno solo de los componentes. * Componentes: Matriz y Refuerzo. ▫ Matriz → Mayor proporción. Plasticidad y cohesión Tipos: Polímero, Metal, Cerámico. ▫ Refuerzo → Resistencia y rigidez Tipos: Cerámico, Metal, Polímero. ▫ Distribución de Refuerzos: Fibras, Partículas, laminar * Ejemplos: Composites reforzados con: ▫ Fibras: - F. vegetal/ Arcilla - Carbono, Boro, Vidrio/Resinas poliéster, epoxi, etc.. ▫ Partículas: - Grava/cemento (Hormigón) - Carburos/Metal ( Cuchillas corte) - Polvo W/Ag (Contactos eléctricos) ▫ Láminas: - Chapados en industria de madera, construcción, etc..

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

79 Sin embargo, los materiales compuestos suelen clasificarse en tres categorías: Con partículas, con fibras y laminares, dependiendo de la forma del material. Ejemplos de Composites reforzados con: ▫ Fibras: - Fibra vegetal/ Arcilla - Carbono, Boro, Vidrio/Resinas de poliéster, epoxi, etc.. ▫ Partículas: - Grava/cemento (Hormigón) - Carburos/Metal ( Cuchillas corte) - Polvo W/Ag (Contactos eléctricos) ▫ Láminas: - Chapados en industria de madera, construcción, etc..

80 Cuando las partículas de refuerzo se encuentran uniformemente distribuidas, los compuestos tienen propiedades isotrópicas. Los compuestos fibrados pueden ser tanto isotrópicos como anisotrópicos y los compuestos laminares siempre tienen un comportamiento anisotrópico. Compuestos reforzados con partículas En estos materiales compuestos las partículas de material duro y frágil, dispersas de forma discreta y uniforme se rodean de una matriz más blanda y dúctil. Dependiendo del tamaño y la naturaleza de las partículas que influyen en las propiedades del compuesto, estos se clasifican en: a) Compuestos endurecidos por dispersión. b) Compuestos con partículas propiamente dichas

Compuestos reforzados con fibras Estos compuestos mejoran la resistencia, carga de rotura, la rigidez, la relación resistencia/peso, por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material de la matriz transmite los esfuerzos a las fibras y proporciona tenacidad y ductilidad al compuesto, mientras las fibras soportan la mayor parte de la fuerza o tensión aplicada. Una característica de estos compuestos respecto a los endurecidos por dispersión es que la resistencia del compuesto aumenta tanto a temperatura ambiente como a elevadas temperaturas. Se suelen emplear una gran cantidad de materiales reforzados. Desde la antigüedad se conoce el refuerzo de la paja en el adobe y en nuestros días está extendido el refuerzo de acero en estructuras, así como el refuerzo de fibras de vidrio sobre polímeros, fibras de boro o carbono, de propiedades excepcionales de resistencia o diminutos monocris-tales cerámicos denominados whiskers desarrollados para este objetivo. 81

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

Comparación de módulo específico y resistencia específica de materiales metálicos y compuestos. 83

84 5.- Materiales electrónicos: •Compuestos de sustancias inorgánicas en base al silicio y germanio. •Tipo de enlace interatómico: Covalente conformando estructura cristalina del tipo metálico. •Tienen propiedades de semiconductividad o conductividad condicionada. Ejemplos: Diodos, chips, tiristores en industria electrónica.

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4.- Selección de materiales en ingeniería. Cuande se pretende diseñar un nuevo producto o mejorar uno existente, es necesario elegir sus materiales contituyentes de una manera racional, teniendo en cuenta todos los factores que influyen el el producto final así como en su ciclo de vida: • PROPIEDADES • DISPONIBILIDAD • COSTES DE LA MATERIAS PRIMAS Y DEL PROCESO DE FABRICACIÓN • IMPACTO SOBRE EL MEDIO AMBIENTE • RECICLADO DE RESIDUOS • CONDICIONANTES DEL CONSUMIDOR, ETC. Estas exigencias pueden agruparse en tres categorias: 1. CIENTIFICO-TECNOLÓGICAS. 2. ECONÓMICAS. 3. SOCIO-ECOLÓGICAS. 86

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91 UTILIZACION DE MATERIALES: ETAPAS

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93  Problem: Select suitable material for bicycle frame and fork. Steel and alloys Wood Low cost but Heavy. Less Corrosion resistance Light and strong. But Cannot be shaped Carbon fiber Reinforced plastic Aluminum alloys Ti and Mg alloys Very light and Light, moderately Slightly better strong. No Strong. Corrosion Than Al corrosion. Resistance. alloys. But much Very expensive expensive expensive Cost important? Select steel Properties important? Select CFRP

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