Materiales de Ingeniería total 15

Materiales de Ingeniería -

Diseño Industrial - ITM Mauricio Gaviria González 1



Bibliografía

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SHACKELFORD, James F. Ciencia de materiales para ingenieros. 3 ed. México. Prentice Hall, 1995. 794 p

SHACKELFORD, James F. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. 6 ed. Madrid: Pearson Education,

2005; Prentice Hall. 839p

SCHAFFER, James P y SAXENA, Ashok. Ciencia y diseño de materiales para ingeniería. 1 ed. México: Compañía

Editorial Continental, 2000. 796p

SMITH, William F y HASHEMI Javad. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 4 ed. México: McGraw Hill,

2006. 1032 p

LESKO, Jim. Diseño industrial: guía de materiales y procesos de manufactura. México: Limusa -Wiley, 2007. 217p

VELEZ MORENO, Ligia Maria. Materiales Industriales: teoría y aplicaciones. 1 ed. Medellín: Instituto Tecnológico

Metropolitano, 2008. 238p

MARTIN, J. W. Materials for engineering. 3 ed. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2006. 252 p

Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, Vol 1, ASM Handbook, 1990

Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, Volume 2, ASM Handbook, 1990

Materials Selection and Design, Volume 20, ASM Handbook, 1997



El uso de los materiales a través de la historia

Importancia relativa de los materiales a través de los años


Diseño Industrial - ITM 4 Mauricio Gaviria González



Producción mundial de algunos materiales



Propiedades Mecánicas

Ensayo de tracción



Ensayo de tracción



Ensayo de tracción, metales



Ensayo de tracción, polímeros



Ensayo de tracción, cerámicos



Ensayo de flexión



Ensayo de dureza



Tabla de conversión de dureza



Dureza de algunos materiales



Ensayo de impacto



Ensayo de compresión

Probeta para el ensayo Máquina para el ensayo



Abarrilamiento

Gráfica esfuerzo vs deformación



Distribución de

esfuerzos según

la carga aplicada



Ejemplos de aplicación

de las propiedades de

los materiales





los materiales





los materiales

Diagrama de fases

hierro - cementita



Aceros

Ferrita/Hierro alpha/BCC

Magnética

Austenita/Hierro gamma/FCC

No magnética





Relación diagrama de fases y estructura cristalina

Representación esquemática de la micro estructura de un

acero eutectoide. AISI/SAE 1077 (1080)

Fase clara: láminas ferrita – alpha

Fase oscura: cementita, carburo de hierro,

Fe3C



Representación esquemática de la micro estructura de un acero

hipoeutectoide

Fotomicrografía de un acero AISI/SAE 1038

Fase clara: ferrita

Fase oscura: perlita



Representación esquemática de la micro estructura de un acero

hipereutectoide

Fotomicrografía de un acero con 1,4 %C

Fase clara: cementita

Fase oscura: perlita



Acero al carbono Aleación hierro y carbono

Bajas cantidades de Mn, Cu, Si y P

Aceros aleados Cr, Mo, Ni, V, Al, Co, Nb (Columbio), Ti, W, Zr

1, 65% Mn, 0,60% Si, 0,60% Cu

Aceros inoxidables

Aceros para herramientas

Definición: contienen una cantidad modesta de elementos de

aleación y que dependen de un tratamiento térmico para

alcanzar su máxima resistencia mecánica

Aceros inoxidables Desde 0,08% C hasta 0,15% C

Alta resistencia a la corrosión, manteniendo su brillo y su

resistencia mecánica

Mínimo 10,5% Cr, óxido de cromo impermeable

Alto % Ni y Mo

AISI, American Iron and Steel Institute, por conformado

ACI, Alloy Casting Institute, por vaciado







Aleaciones Férricas

Aceros

C < 2.11%

Débilmente Aleados

Elementos aleantes en

menos del 5%

Aleados

Al menos un elemento Aleante con mas del 5%

No inoxidables

Inoxidables

Fe + C + Cr (mínimo 10%)

Austeníticos

Fe + (0.02 a 0.1)%C + (16 a 28)%Cr +(6 a 32)%Ni

Ferríticos

Fe + (0.015 a 0.08)%C

+ (10 a 30)%Cr

Martensíticos

Fe + (0.08 a 1.2)%C + (12 a 19)%Cr

No aleados

Fundiciones

2.11% < C <6.67%

Otros tipos

Austeníticos al Cr, Mn, Ni

Austeno – Ferríticos (Duplex, Bifásicos o Dual Phase

Endurecidos por Precipitación (Precipitation Hardening, PH)



Primer digito Acero aleado al:

1 C

2 Ni

3 Ni – Cr

4 Mo, Cr – Mo, Ni – Mo, Ni – Cr -Mo

5 Cr

6 Cr – V

7 W – Cr

8 Ni – Cr – Mo

AISI: American Iron and Steel Institute

SAE: Society of Automotive Engineers

Especificación AISI/SAE para algunos aceros

AISI/SAE XXXX

Designación de la serie Grupos

2xx Cr – Ni – Mn, no endurecibles, austeníticos,

no magnéticos

3xx Cr – Ni, no endurecibles, austeníticos, no magnéticos

4xx Cr, endurecibles, martensíticos, magnéticos

4xx Cr, no endurecibles, ferríticos, magnéticos

5xx Bajo % Cr, resistentes al calor

Sistema de numeración de tres dígitos, AISI, obtenidos por conformado

Película pasiva de óxido de cromo (o de níquel)

Impermeable a los agentes corrosivos

Invisible

Muy delgada

Adherente



Diagrama de una sección transversal para aceros con 12% Cr

Susceptible a tratamiento térmico



Diagrama de una sección transversal para aceros con 18% Cr





Tratamientos térmicos de los aceros inoxidables Recocido de solubilización

Recocido de eliminación de tensiones

Sensibilización

Estabilización

Recristalización

Temple

Envejecimiento

Tratamientos térmicos Combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de

tiempos determinados, aplicados a un metal (puro o aleación), en

estado sólido, que generen la transformación o descomposición

de la austenita para que produzca las propiedades deseadas



Tratamiento térmico de envejecimiento



Endurecimiento por envejecimiento

Endurecimiento por precipitación



Estructuras cristalinas

Estructura de la martensita

Aceros inoxidables ferríticos, 4XX Desde 12% Cr hasta 30% Cr

No se endurecen por tratamiento térmico

Se endurecen levemente por trabajo en frío

Susceptibles a tratamiento térmico de recocido, alta ductilidad y

resistencia a la corrosión (50% más alta que en los aceros al carbono)

Se pueden trabajar en frío o en caliente

% Ni es cero

Decoración, lavaplatos, tubos de escape

Tratamiento térmico Recocido únicamente

Aliviar tensiones (por trabajo en frío o por soldadura)

Fragilidad por permanecer alto tiempo entre 400°C y 510°C

Se recomienda el recocido por encima de 510°C y a una

temperatura superior a la que se pudiera encontrar austenita



AISI/SAE Aplicación

430 Propósito general, fines decorativos, tanques para ácido nítrico

430F % S, fácilmente maquinable, tornillos

430Se %Se, trabajo en caliente o en frío

442 Piezas de hornos, cámaras de combustión, toberas

446 Alta resistencia a la corrosión, baja resistencia mecánica, válvulas

405 Buena soldabilidad, buena resistencia al calor

Aceros inoxidables

ferríticos



AISI %C %Cr %Ni %Mo %Si %Mn %N %Pmáx %S

430 <0,13 16 a 18

Aceros inoxidables martensíticos, 4XX Desde 12% Cr hasta 17% Cr

Desde 0,15% C hasta 1% C

Endurecibles por tratamiento térmico, enfriamiento brusco

Magnéticos, alta resistencia mecánica, alta dureza, alta resistencia a la erosión, se

pueden trabajar en frío fácilmente a menor % C así como en caliente y se pueden

maquinar, buena tenacidad

Menor resistencia a la corrosión y maquinabilidad que los aceros inoxidables ferríticos

Tratamiento térmico Calentar a 1000°C y

templar en aire o en aceite

Revenido entre 400°C y

510°C es prohibido ya que

pierde la tenacidad

Revenido se recomienda

por encima de 600°C

A mayor temperatura de

revenido se puede presentar

alguna precipitación de

carburos, disminuyendo la

resistencia a la corrosión




410 Propósito general. Tornillos, cubiertos, piezas de maquinaria, flechas para bombas

403 Alta resistencia mecánica, buena resistencia al calor, corrosión, desgaste y abrasión.

Aletas para turbina de vapor

420 Cuchillería, instrumentos quirúrgicos, válvulas

414 Alta templabilidad, alta resistencia a la corrosión, resortes, laminas revenidas y piezas

de maquinaria

431 Alta resistencia a la corrosión, altas propiedades mecánicas, industria aeronáutica,

piezas de maquinaria

440C 1,20% C, bolas, cojinetes y rodillos

440B Mejora la tenacidad, cuchillería fina

440A Mayor tenacidad, buena resistencia a la corrosión, cuchillería y piezas para válvulas

Aceros inoxidables

martensíticos 501, 502




410 0,15 11,5 a 13,5 1 1 0,04 0,03

Aceros inoxidables austeníticos, 2XX, 3XX Fe

Máximo 0,08% C

Desde 16% Cr, hasta 25% Cr

Desde 7% Ni hasta 20% Ni

% Cr + % Ni ≥ 23%

Alta resistencia a la corrosión , no son magnéticos

No se endurecen por tratamiento térmico

Sí se endurecen por trabajo mecánico en frío

(paramagnético)

Alta resistencia al impacto

Difíciles de maquinar

Fáciles de maquinar si tiene %S y %Se

Son aptos para soldar

Grado L

Máximo 0,03% C

Baja resistencia mecánica

Grado H

Mínimo 0,04% C

Máximo 0,10% C

Alta resistencia

mecánica

Alta resistencia a altas

temperaturas




302 Adornos, industria alimenticia, industria aeronáutica

304 Menor % C, para disminuir la precipitación de carburos durante la

soldadura, procesamiento de alimentos, industria química

303 %S, buena maquinabilidad, tornillos

301 Endurecibles por trabajado, alta resistencia y ductilidad, estructuras de

aviones

305 Bajo endurecimiento por trabajo en frío, revenido Materiales de Ingeniería -


Aceros inoxidables

austeníticos


304 <0,07 17 a 19,5 8 a 10,5 <1 <2 <0,11 0,045 <0,015




308 Alta resistencia a la corrosión y al calor, soldadura

314 Alta resistencia a la corrosión a altas temperaturas

316 Alto % Mo aumenta la resistencia a la corrosión, alta resistencia a la

fluencia, industria alimenticia

321

% Ti evita precipitación de carburos durante la soldadura, excelente

comportamiento a condiciones severas entre 430°C y 870°C, múltiples

de aviones a reacción, recipientes a presión

347 % Cb o % Ta para mejorar la soldabilidad

Aceros inoxidables

austeníticos

Desarrollo de los

aceros inoxidables

ferríticos y

martensíticos



Desarrollo de los

aceros inoxidables

austeníticos





Estados unidos Alemania Italia Francia Gran

Bretaña Japón

AISI SAE DIN N° DIN UNI AFNOR BS JIS

302 (A) 30302 1.4319 C5CrNi18-7 X10CrNi18-09 Z10CN18.9 302 S26 SUS 302

410 (M) 51410 1.4006 X10Cr13 X10Cr13 Z10C13 410 S21 SUS 410

430 (F) 51430 1.4016 X6Cr17 X8Cr17 Z8C17 430 S17 SUS 430

Equivalencias de algunos aceros inoxidables

para diferentes países

Norma

AISI

SAE

DIN

UNI

AFNOR

BS British Standards

JIS Japan Industrial Standard




201 (A) <0,15 16 a 18 3,5 a 5,5 <1 5,5 a 7,5 0,05 a 0,25 0,045 <0,015

202 (A) <0,15 17 a 19 4 a 6 <1 7,5 a 10,5 0,05 a 0,25 0,045 <0,015

302 (A) <0,07 17 a 19 8 a 10 <1 <2 --- 0,045 <0,03

304 (A) <0,07 17 a 19,5 8 a 10,5 <1 <2 <0,11 0,045 <0,015

316 (A) <0,08 16 a 18 10 a 14 2 a 3

316L (A) <0,03 16 a 18 10 a 14 2 a 3

316H (A) <0,10 16 a 18 10 a 14 2 a 3

420 (M) >0,15 12 a 14

430 (F) <0,13 16 a 18

Composición química de algunos aceros inoxidables

Aceros

endurecibles

por

precipitación (PH: Precipitation

Hardening)

Grado %C %Cr %Ni %Si %Mn %Mo Otros

17-4 PH 0,04 16,50 4,25 0,50 0,40 --- 0,25 Cb +

3,60 Cu

17-7 PH 0,07 17,00 7,00 0,40 0,70 --- 1,15 Al

PH 15-7 Mo 0,07 15,00 7,00 0,40 0,70 2,25 1,15 Al

17-10 P 0,12 17,00 10,50 0,50 0,75 --- 0,28 P



Tipo

Resistencia

a la

corrosión

Dureza Magnéticos

Endurecibles

por

tratamiento

térmicos

(temple)

Soldabilidad

Martensíticos Baja Alta Si Si Pobre

Ferríticos Buena Media – Baja Si No Limitada

Austeníticos Excelente Alta (trabajados

en frío)

No (leve por

trabajo en frío) No Excelente

Algunas propiedades de los aceros inoxidables



Corrosión Oxidación acelerada y continua que desgasta y deteriora los materiales

Ánodo: material que pierde electrones, se oxida, material activo, Mg, Zn, Al

Cátodo: material que gana electrones, se reduce, material noble, Pt, Au, Ti



Ciclo de los metales



Factores que afectan a la corrosión

El metal

Las heterogeneidades químicas,

estructurales y las debidas a

tensiones internas generan pares

galvánicos que aceleran la corrosión

La pieza

Calidad superficial, grado

de mecanización, grietas,

orificios

Medio ambiente

La naturaleza ácida, básica o salina de la solución,

temperatura, conductividad, concentración de la solución



Comportamiento Catódico – Anódico de algunos materiales

Au Cátodo, Electropositivo, baja velocidad de corrosión, material que gana electrones, material noble, material que se reduce

Pt

Ag

Fe

Cu

Sn

Pb

Ni

Co

Cr

Zn

Al

Mg

Na Ánodo, Electronegativo, alta velocidad de corrosión, material que pierde electrones, material activo, material que se oxida



Tipos de corrosión

Corrosión uniforme Corrosión en hendiduras

Remaches, pernos, tornillos,

entre válvulas y sus asientos,

bajo depósitos porosos

Fenómeno de capilaridad



Corrosión galvánica (bimetálica)

Materiales diferentes Corrosión intergranular

Bordes de grano (alto % de impurezas)



Ataque por picado

Hoyos pequeños en la superficie del metal

Difícil de detectar ya que los agujeros se

llenan con productos de la corrosión Corrosión bajo tensión

Velocidad de enfriamiento

Deformación en frio



Corrosión por erosión, cavitación y frotamiento

Erosión: alta velocidad de un fluido corrosivo, turbulencias

Cavitación: formación e implosión de burbujas de aire vapor

Frotamiento: movimiento relativo de dos superficies

Erosión Cavitación



Ácido

•Perclórico

•Sulfúrico

•Nítrico

•Clórico

•Yódico

•Clorhídrico

•fluorhídrico

Amoniaco,

sodio,

cemento,

blanqueador

Gasolina, acetona,

tolueno, acetato de etilo



tA

mV

**

*534

Variables para determinar la velocidad de corrosión

V: velocidad de corrosión, milésimas de pulgada/año

Δm: perdida de masa del material, mg

ρ: densidad del material, g/cm3

A: área expuesta (inicial), pulgada2

t: tiempo de duración del ensayo, horas

Aluminio y aleaciones de Aluminio



Material

Resistencia a la tensión Densidad

psi (lbf/plg2) g/cm3 lb/plg3

Acero AISI 1045 90000 7,84 0,28 318422

Acero AISI 4140 152000 7,85 0,28 542857

Acero AISI 302 95000 7,90 0,28 333559

Auminio 13000 2,70 0,10 133554

Aluminio 7075 T6 83000 2,80 0,10 822236

lg , p densidad

a resistenci relación



Generalidades del aluminio Es el metal mas abundante en la naturaleza y se encuentra en minerales como

la bauxita, el feldespato, arcilla, etc.

Proviene de la Bauxita, de la cual se obtiene la alúmina, de allí se saca el

aluminio metálico, el cual es refinado y finalmente el metal

Propiedades del aluminio:

Densidad, 2,7 g/cm3

Alta resistencia a la corrosión

Temperatura de fusión de 660 °C

Dureza brinell de 20

Módulo elástico de 6750 kgf/mm2

Resistencia a la tracción en estado laminado y recocido (6 a 10) kgf/mm2

Fundición, extrusión, laminación, forja, soldadura

Susceptibles a tratamientos térmicos o a trabajo en frío

Baja toxicidad

Buena conductividad térmica y eléctrica

Buena ductilidad y maquinabilidad

densidad

aresistencirelación



Baja densidad Resistencia mecánica

Facilidad de

conformado





Endurecimiento por envejecimiento

Endurecimiento por solución solida

Endurecimiento por deformación

Endurecimiento por dispersión

?



Aleaciones para conformado

Aleación Características y propiedades

1xxx Aluminio comercialmente

puro (>99% Al) No envejecido

2xxx Al – Cu Endurecible por envejecimiento

3xxx Al – Mn No envejecido

4xxx Al – Si Endurecible por envejecimiento

5xxx Al – Mg No envejecido

6xxx Al – Mg – Si Endurecible por envejecimiento

7xxx Al – Zn Endurecible por envejecimiento

8xxx Al – Otros

9xxx Reservado



Aleaciones fundidas

Aleación Características y propiedades

1xx.x Aluminio comercialmente

puro (>99% Al) No envejecido

2xx.x Al – Cu Endurecible por envejecimiento

3xx.x Al – Si – Cu – Mg Algunas son endurecibles por

envejecimiento

4xx.x Al – Si No envejecido

5xx.x Al – Mg No envejecido

6xx.x No utilizado

7xx.x Al – Zn – Cu – Mg Endurecible por envejecimiento

8xx.x Al – Ti Endurecible por envejecimiento

9xxx.x Al - Otros



Designación de grado de endurecimiento para aleaciones de aluminio

F Tal como se fabricó (fundición, trabajo en caliente, trabajo en frío)

O Recocida

H Trabajada en frío

H1x Trabajada en frio únicamente (x se refiere a la cantidad de trabajo en frío y

endurecimiento)

H12 Su resistencia a la tracción se encuentra aproximadamente a la mitad entre la del

estado recocido (O) y H14


estado recocido (O) y H18


estado H14 y H18

H18 Máximo grado de endurecimiento

H19 Proporciona una resistencia mayor en 2000 psi respecto a la obtenida por H18

H2x Trabajada en frío y parcialmente recocida

H3x Trabajada en frío y estabilizada a una temperatura baja para evitar el

endurecimiento por envejecimiento

W Tratada térmicamente por solución



Designación de grado de endurecimiento para aleaciones de aluminio

T Endurecida por envejecimiento

T1 Enfriada desde la temperatura de fabricación y envejecida naturalmente

T2 Enfriada desde la temperatura de fabricación, trabajada en frío y envejecida

naturalmente

T3 Tratada por solución, trabajada en frío y envejecida naturalmente

T4 Tratada por solución y envejecida naturalmente

T5 Enfriada desde la temperatura de fabricación y envejecida artificialmente

T6 Tratada por solución y envejecida artificialmente

T7 Tratada por solución y estabilizada por sobre envejecimiento

T8 Tratada por solución, trabajada en frío y envejecida artificialmente

T9 Tratada por solución, envejecida artificialmente y trabajada en frío

T10 Enfriada desde la temperatura de fabricación, trabajada en frío y envejecida

artificialmente



Aleaciones

para

conformado

Aleación Resistencia a la

tensión (kpsi)

Esfuerzo de

fluencia (kpsi)

Elongación

(%) Comentarios

1100 – O (>99% Al) 13 5 40 Laminación

3003 - O

1,2% Mn

17 5 23 Recipientes a presión,

aluminio para

laminación, aluminio

para equipos químicos 3003 – H14 23 23 17

5052 - O 2,5% Mg

+ 0,25% Cr

28 9,5 18 Uso marítimo, tubos

hidráulicos, industria

automotriz 5052 – H34 38 26 4

2024 - O 4,4% Cu

+ 1,5% Mg

+ 0,6% Mn

32 14 12 Industria aeronáutica

(estructuras) 2024 – T6 64 50 5

6061 - O 1,0% Mg

+ 0,6% Si

+ 0,27% Cu

+ 0,2% Cr

22 12 16 Industria automotriz,

industria marina,

tubería en general 6061 – T6 42 35 10

7075 - O 5,6% Zn

+ 2,5% Mg

+ 1,6% Cu

+ 0,23% Cr

40 21 10

Industria Aeronáutica

7075 – T6 73 62 8 Materiales de Ingeniería -


Aleaciones

para

fundición

Aleación

Resistencia

a la tensión

(kpsi)

Esfuerzo

de

fluencia

(kpsi)

Elongación

(%) Comentarios

355.0

5% Si + 1,2% Cu

+ 0,5% Mg

Fundición en arena

T6

32 20 2

Accesorios de

aviones (motor) 5% Si + 1,2% Cu

+ 0,5% Mg

Molde permanente

T6

37 ___ 1,5

356.0

7% Si + 0,3% Mg

Fundición en arena

T6

30 20 3

Ejes, ruedas, piezas

complejas 7% Si + 0,3% Mg

Molde permanente

T6

33 22 3

332.0

9,5% Si + 3% Cu

+ 1,0% Mg

Molde permanente

T5

31 ___ ___ Pistones de

automóviles

413.0 12% Si + 2% Fe

Molde permanente 43 21 2,5

Piezas muy

complejas



Mauricio Gaviria González 73

Titanio y aleaciones de Titanio

CT f1668

Material Resistencia a la tensión Densidad

psi (lbf/plg2) g/cm3 lb/plg3

Acero AISI 302 95000 7,90 0,28 333559

Aluminio 13000 2,70 0,10 133554

Titanio 80000 4,51 0,16 492028

lg , p densidad

a resistenci relación

Alta resistencia mecánica

Alta resistencia a la corrosión

Baja densidad

Cuarto elemento más abundante en la corteza

terrestre


Diseño Industrial - ITM


Cambio alotrópico para el Titanio



Mauricio Gaviria González 75 Materiales de Ingeniería -







Aleación 6Al – 4V




Marco de una bicicleta

Museo de Guggenheim, España Corazón artificial




Seguridad personal

Accesorios

Implante dental




Aleación Nombre común

(UNS)

Propiedades

σt , ksi σf, ksi ε,%

Puro, α Grados 1, 2, 3 y 4

Sin aleación (Recocido) (R50500)

70 60 25

α Grados 6, 7 y 11

Ti – 5Al – 2,5Sn (Recocido) (R54520)

120 114 16

Casi α

Ti – 8Al – 1Mo – 1V (Recocido) (R54810)

138 129 15

α – β Grados 5 y 9

Ti – 6Al – 4V (Recocida) (R56400)

137 127 14

α – β Grados 5 y 9

Ti – 6Al – 6V – 2,5Sn (Recocida) (R56620)

153 143 14

β Ti – 10V – 2Fe – 3Al

(Envejecimiento) 178 167 10



Titanio

Fase α (HCP)

No son susceptibles a tratamiento

térmico

Dúctiles

Fáciles de soldar

Baja resistencia mecánica

Excelentes propiedades mecánicas

a temperaturas criogénicas

Fase α – β

Susceptibles a tratamiento

térmico

Fáciles de soldar

Resistencia mecánica con

valor intermedio entre el

titanio α y el titanio β

Fase β (BCC)

Son susceptibles a tratamiento

térmico

Son generalmente soldables

Alta resistencia mecánica y buena

resistencia a la deformación hasta

temperaturas intermedias



Algunas aleaciones de Titanio



Efecto de algunos elementos intersticiales

en el Titanio



Tratamientos térmicos

Reducir las tensiones residuales producidas en el proceso de

fabricación

Conseguir una adecuada combinación de ductilidad,

maquinabilidad, estabilidad dimensional y estructural

Incrementar la resistencia por medio de procesos de revenido y

recocido

Optimizar propiedades particulares como la resistencia a la

fractura, resistencia a la fatiga o la resistencia a la fluencia a alta

temperatura



Aplicaciones

Debido a su resistencia y su densidad, se utiliza reemplazando el

aluminio

Titanio aleado con aluminio y vanadio se utiliza en la fabricación de

las puertas de incendio en los aviones, componentes del tren de

aterrizaje, protecciones del motor

Alabes del compresor, los discos y los revestimientos de los motores

a reacción

La relativa inercia del titanio le hace eficaz como sustituto de los

huesos y cartílagos

Fabricación de tuberías y tanques utilizados en la fabricación de

alimentos

Fabricación de intercambiadores de calor de las plantas de

desalinización debido a su alta resistencia para soportar la corrosión

del agua salada



Los implantes necesitan ser

Biocompatibles

Resistentes a la humedad

Baja densidad

Tenaces

Fuertes

Módulos de Young apropiados



Información técnica 6Al – 4V 6Al – 4V (ELI)

Tipo de estructura α – β

Composición nominal, valores máximos

0,08%C, 0,05%N, 0,015%H, 0,25%Fe, (5,75 a 6,75)%Al, (3,5 a 4,5)%V, 0,20%O

0,08%C, 0,05%N, 0,015%H, 0,25%Fe, (5,5 a 6,5)%Al, (3,5 a 4,5)%V, 0,13%O

Transformación β 1000 °C

Cortado Se corta fácilmente con sierra, lijado

Mecanizado Baja velocidad, herramientas con buen filo, buena refrigeración

Moldeado

Moldeado a temperatura ambiente cuando sea posible Si la forma geométrica es compleja puede ser moldeado en caliente

Para materiales tratados con soluciones se recomienda el moldeado en caliente

Soldadura Protección con gas inerte genera soldadura dúctiles

Aplicaciones Piezas de fuselaje y turbina, depósitos de presión, carcasas de motor

Aplicaciones quirúrgicas e implantes, fuselajes, depósitos de presión

Tratamiento térmico ? ?

Comparación entre dos aleaciones muy utilizadas industrialmente



Todos los plásticos son polímeros

No todos los polímeros son plásticos

Plásticos: son polímeros que bajo condiciones

adecuadas de presión y de temperatura, pueden ser

moldeados

Tg: temperatura de transición vítrea

PMMA

Sustantivo: se refiere a una clase de materiales que pueden ser moldeados

Adjetivo: comportamiento mecánico de un material que queda deformado una

vez se retira la fuerza externa

Plásticos / Polímeros

Carbono + hidrogeno



Monómero: unidad estructural

Poli: muchas

Meros: partes

Polímeros: moléculas grandes y largas

Polímeros naturales

Se encuentran en plantas y

animales

Algodón (fibras de celulosa)

Seda, Hule, Lana

Polímeros sintéticos

Obtenidos a partir del

petróleo







Consumo mundial de materias primas

Homopolímeros

Formados por

monómeros de una

misma especie

PVC – PE – PP

Copolímeros

Formados por

monómeros de dos o

más especies

ABS – Estireno de alto

impacto

Enlaces covalentes



Cadenas moleculares

Amorfo

Macromoléculas

desordenadas y

entrelazadas

Vítreos

Transparentes

Frágiles

Semi-cristalinos

Pequeños cristales y zonas

amorfas

Funden en un rango de

temperatura



Poliolefinas Homopolímeros

Termoplásticos semicristalinos

Alta resistencia química

Buenos aislantes térmicos

Fáciles de transformar

Bajo precio





Resistencia a la tracción de algunos polímeros



Polietileno (PE) Flexible, semirrígido

Translucido

No se rompe

Alta resistencia a los ácidos, a las bases y a los disolventes

Baja densidad

Termoplástico

Bolsas, botellas, aislantes, tuberías

LDPE (low density polyethylene) de cadena corta, densidad

(0,910 0,925) g/cm3, empaques

HDPE (high density polyethylene) lineal, densidad (0,941 a 0,965)

g/cm3, recipientes y tubos

Mínimo 90% cristalinidad

Temperatura de fusión de 135 °C

Utensilios domésticos, juguetes, tuberías, conductos

Tg entre -30 °C a -80 °C

UHMWPE(ultra high molecular weight polyethylene), alta resistencia

a la abrasión y alta tenacidad

Elementos mecánicos



Poliestireno (PS) Fácil de moldear

Amorfos, transparentes

Bajo costo

Frágiles

PS de alto impacto

Termoplástico

Empaques, charoles, utensilios domésticos, cajas, envases

Transparente u opaco

Rígido, semirrígido

Alta densidad

Alta resistencia a los ácidos y las bases

PS cristal, transparente, rígido y quebradizo

PS impacto, resistente y opaco

PS expandido, baja densidad, envases, aislante térmico



Poli vinil cloruro (PVC) Cloro

Pertenece a la familia de los polímeros clorados

Fácil de moldear

Ignífugo

Bajo costo

Quebradizo

Transparente, opaco

Flexible, semirrígido

Se puede cortar, no se rompe

Alta densidad

Alta resistencia a los ácidos y las bases

Algunos disolventes lo atacan

Termoplástico

Cajas, envases, tuberías, juguetes, carcasas

Acrílicos, PMMA Polimetilmetacrilato

Transparente, frágil

Rígido

Tenaz

Brillante y transparente como un cristal

Se deja pigmentar de todos los colores

Se rompe

Alta densidad

Termoplástico

Cristales de seguridad, industria óptica

Domos, lentes



Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) Copolímero

Alta resistencia mecánica y al impacto

Temperatura de servicio entre -40 °C y 107 °C

Inflamable

Máquinas de oficina, cubiertas de herramientas

Polipropileno (PP) Alta cristalinidad

Baja densidad

Tg de -10 °C

Baja resistencia al impacto

Baja resistencia a la luz

Tuberías, jeringas desechables,

tarros para pintura, alfombras



PET Polietilén tereftalato

Impermeable

Transparente

Baja densidad

No tóxico

Tenaz

Fácil reciclaje

Envases para bebidas carbonatadas y

licores, bolsas, bandejas para

microondas

Poliuretano Poliol + Isocianato

Recubrimientos de alambres,

pinturas sintéticas



Nylon Alta tenacidad

Cristalinos

Amorfos y transparentes (al modificarlos)

Absorben humedad

Auto lubricantes

Engranajes, cojinetes, piezas de carrocerías

para automóviles



Policarbonato

Alta claridad, amorfo, transparente

Alta resistencia al impacto

Faros de automóviles, tableros de instrumentos,

blindajes

CDs, envases



Termofijos

Fenol formaldehido Bakelita

Color oscuro

Interruptores, agarraderas

Madera contrachapada

Aminorresina Translucida

Se deja pigmentar

Tableros para muro, cubiertos, vajillas

Poliéster Materiales compuestos Resinas epoxy

Encapsulado de piezas eléctricas

Materiales compuestos

Poliamida (PA) Nylon

Kevlar

Elementos mecánicos,

elementos de seguridad



Materiales cerámicos

Definición: sólidos inorgánicos, formados por elementos no metálicos y

elementos metálicos

Características: duros, no combustibles, no oxidables

Propiedades: alta resistencia a altas temperaturas, alta temperatura de

fusión, baja conductividad térmica, baja conductividad eléctrica, frágiles,

alta resistencia mecánica a la compresión, baja resistencia al impacto

Formados por fases cristalinas y/o vítreas

Enlaces iónicos y/o covalentes



Estructuras cristalinas complejas

Materias primas

Arcillas, feldespatos, cuarzo

ARCILLA

Al2O3 + SiO2 + H2O

CUARZO

SiO2

FELDESPATO

K2O + Al2O3 + 6SiO2



Cerámicas tradicionales

Cerámicas de mesa, pavimentos

Sanitarios

Refractarios, abrasivos

Porcelanas (aislantes, decorativas)

Se obtienen múltiples fases en la cocción

Para cada composición se dan varias aplicaciones

Materia prima: arcillas



Cerámicas de Ingeniería

Industria aeroespacial: partes para motores, revestimientos,

herramientas de corte, aislantes térmicos

Biomédica: Huesos, dientes, materiales de implante

Óptica: fibra óptica, lentes

Electrónica: condensadores, aislantes

Presentan una sola fase

Cada composición tiene una aplicación especifica

Materia prima: polvos cerámicos, óxidos, carburos, Nitruros



Bujías

Alúmina, Al2O3



Aislantes de alta tensión



Refractarios, soportan temperaturas superiores a los 1500 °C



Definición

Es un sistema de materiales constituido por una mezcla

o combinación de dos o más micro o macro

constituyentes que difieren en forma y composición

química y que son esencialmente insolubles entre si



Algunas aplicaciones de los materiales

compuestos en la industria deportiva y en

la industria aeronáutica





Isotropía

Anisotropía



Efecto de la orientación del

refuerzo vs aplicación del

esfuerzo en el material

compuesto



Resinas de poliéster Bajo costo

Reforzados con fibras (vidrio)

Cascos de barcos

Resinas epoxy Alta resistencia

Reforzadas con fibras de carbono

y Aramida

Poliéster Epoxy

Resistencia a la tracción, psi (MPa) 6000 a 13000 (40 a 90) 8000 a 18000 (55 a 125)

Módulo de tracción, psi (GPa) 300000 a 640000 (2,0 a 4,4) 410000 a 610000 (2,8 a 4,2)

Densidad, g/cm3 1,10 a 1,46 1,2 a 1,3



Fibras

Tipo de fibra Aplicaciones Características

Vidrio E (eléctrico). Fibras

continuas, σt = 500000 psi,

E = 10,5 * 106 psi

Vidrio S (resistencia).

σt = 650000 psi,

E = 12,4 *106 psi

Densidad = 1,6 g/cm3

Para reforzar matrices plásticas

Materiales compuestos

estructurales y productos de

moldeo

Buena relación resistencia/peso, buena

estabilidad dimensional, buen resistencia

al calor, al frío, a la humedad y a la

corrosión, buenas propiedades aislantes

eléctricas, facilidad de fabricación y bajo

costo

Carbono (PAN,

poliacrilonitrilo)

Epoxi reforzado con fibras de

carbono

Aplicaciones aeroespaciales Baja densidad, alta resistencia y alto

módulo de elasticidad, alto costo

Aramida (poliamida

aromática) Seguridad personal

Kevlar 29. Baja densidad y alta

resistencia, protección balística, cuerdas,

cables

Kevlar 49. Baja densidad, alta

resistencia, alto módulo



Plástico reforzado con fibra de carbono Plástico reforzado con fibra de vidrio

Plástico reforzado con fibras naturales Plástico reforzado con fibra de aramida



VARIABLES A TENER EN CUENTA EN LA SELECCIÓN DE MATERIALES

Variable Características

Función

Cargas aplicadas y cargas transmitidas, presión,

temperatura de trabajo, almacenamiento de

energía, volumen, masa, impacto ambiental

Forma Índices de prestaciones

Material Propiedades mecánicas, físicas, químicas,

eléctricas, térmicas, costo

Proceso de fabricación Material, tamaño, forma, tolerancias dimensionales,

rugosidad, cantidad de piezas, costo



Selección de Materiales

Aplicación Máxima

resistencia Máxima rigidez

Esfuerzo de tracción, cilindros con

presión interna σf / ρ E / ρ

Esfuerzo de torsión (σf)2/3 / ρ G1/2 / ρ

Esfuerzo de doblez, Vigas (σf)2/3 / ρ E1/2 / ρ

Esfuerzo de doblez, Placas (σf)1/2 / ρ E1/3 / ρ

Índices de prestaciones

Aplicación Máxima

Aislante térmico 1 / λ

Mínima distorsión térmica λ / α

Máxima resistencia a choque térmico E * α

Aplicación Mínimo

Mínimo volumen σf2 / E

Mínimo peso σf2 / E*ρ





















Documents

Materiales de Ingeniería total 15