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 TEMA 1: Introducción a los Materiales elección de los Mismos 1. Concepto de Ciencia y Tecnología de los Materiales. 2. Evo uci n e os Materia es. 4. Efectos Ambientales en los Materiales. 5. La elección del Material

TEMA 1

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Introdución a los materiales

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  • TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy

    1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.

    l d l l2. Evolucin de los Materiales.

    3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.

    4. Efectos Ambientales en los Materiales.

    5. La eleccin del Material

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    1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.

    l d l l2. Evolucin de los Materiales.

    3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.

    4. Efectos Ambientales en los Materiales.

    5. La eleccin del Material

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    1. Concepto de ciencia y Tecnologa de los Materiales.

    IngenierosManejanMateriales

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    I i El i id d F i i t i t t

    y

    Mejorar caractersticas de productos diseados y fabricados IngenierosElectricidad IngenierosElectrnica Ingenieros Civiles

    Funcionamientointerruptores CircuitosIntegrados Estructuras resistentes IngenierosCiviles

    IngenierosPetrleo Ingenieros Automocin

    Estructurasresistentes Barrenasytuberas Materiales ligeros y resistentes IngenierosAutomocin

    IngenierosAeroespaciales Ingenieros

    Materialesligerosyresistentes MaterialesligerosresistentesaaltasybajastemperaturasIngenieros

    Metalrgica Cermica

    Produciryconformarmaterialeseconmicosyconpropiedades mejoradas Polimricos

    Compuestospropiedadesmejoradas

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    Tipos de materialesMetalesysusaleaciones

    Acero Aluminio

    Caractersticas Conductividadelctrica

    Aluminio Magnesio Zinc

    Conductividadtrmica Altaresistenciamecnicatantoa traccin como a compresin

    Hierrofundido Titanio

    atraccincomoacompresin Altarigidez Ductilidad o conformabilidad Cobre

    Nquel

    Ductilidadoconformabilidad Resistenciaalimpacto

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    Tipos de materialesU d l M t l l iUsosdelosMetalesysusaleaciones

    Estructuralesodecarga

    Conductoreselctricos

    Motoresygeneradoreselctricos

    Motores automocin Motoresautomocin

    Industriaaeroespacial

    Herramientas

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    Tipos de materialesMaterialesCermicos

    Ladrillos Vidrio

    Caractersticas Bajaconductividadelctrica

    Vidrio Porcelana Materialesrefractarios

    Bajaconductividadtrmica Altaresistenciamecnicaacompresin

    Abrasivos Aislamientotrmicoyelctrico

    compresin Frgilesyquebradizos Duros y no dctiles Durosynodctiles Resistencia al impacto

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    Tipos de materialesUsosMaterialesCermicos

    Ladrillos Vidrio Vidrio Porcelana Materialesrefractarios Abrasivos Aislamientotrmicoyelctrico

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    Tipos de materialesMaterialesPolmeros

    Caucho(hule) Plsticos

    Caractersticas Bajaconductividadelctrica

    Plsticos Adhesivos Lubricantes

    Bajaconductividadtrmica Bajaresistenciamecnica

    ( ) Siliconas Hidrogeles

    Dctiles(termoplsticos) Resistentes(termoestables)

    il ( bl ) FibrasTextiles Frgiles(termoestables)

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    Tipos de materialesUsosMaterialesPolmeros

    Elementosdeproteccin Envases Envases Aislamientoselctricos TuberasPVC Prtesis Fibrastextiles Derivadosdelcaucho Mueblesymenaje Moldes Moldes Pavimentos

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    Tipos de materialesMaterialesSemiconductores

    SilicioGermanio

    Caractersticas Conductividadelctricaenun

    tid Germanio Selenio ArseniurodeGalio

    sentido Resistenciaensentidoopuesto Baja resistencia mecnica

    SeleniurodeZinc Telururo dePlomo

    Bajaresistenciamecnica Frgiles

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    Tipos de materialesMaterialesCompuestos

    Maderacontrachapada Paneles fenlicos

    Caractersticas BajaConductividadelctrica

    Panelesfenlicos Fibradevidrio Fibradecarbono

    Ligeros Fuertes

    Fibradeboro Hormign

    Dctiles Resistenciaaaltatemperatura

    (h i d ) Asfalto Cermets (carburocementado)

    Dureza(herramientasdecorte) ResistenciaalimpactoC t i t i t Comportamientoinerte

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    Tipos de materialesUsosMaterialesCompuestos

    Construccin Industria Aeronutica IndustriaAeronutica IndustriaAeroespacial Industria DeportesyCompeticin

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    S t t d l i l t i l i d i i t t

    y

    Ejemplo 1Se trata de elegir los materiales necesarios para conducir una corriente entrelos componentes alojados en una caja negra elctrica. Qu materiales seescogeran?

    El material que conduzca la corriente debe tener una elevada conductividadelctrica, por lo que se requiere seleccionar un material metlico en formade alambre (cobre aluminio oro plata etc )de alambre (cobre, aluminio, oro, plata, etc.).

    Este alambre metlico deber estar aislado de otros alambres y del resto dela caja negra para impedir cortocircuitos o arcos elctricos. Los materialesj g p pcermicos de recubrimiento seran un aislante excelente de los alambres,pero resultan rgidos y frgiles, el alambre no podra flexionarse sin romperel recubrimientoel recubrimiento.

    En vez de ello, se elegira un recubrimiento polimrico o plstico, quepresenta caractersticas adecuadas como aislante, a la vez que tiene buenaductilidad.

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    Q t i l tili f b i t f? Q i d d

    y

    Ejemplo 2Qu materiales se utilizan para fabricar tazas para caf?, Qu propiedadesespeciales a estos materiales adecuados?

    Estas tazas estn fabricadas normalmente de materiales cermicos oEstas tazas estn fabricadas normalmente de materiales cermicos oplsticos que son buenos aislantes trmicos debido a su baja conductividadtrmica. Los vasos desechables de poliestireno expandido sonespecialmente eficaces ya que contienen muchas burbujas de aire queespecialmente eficaces, ya que contienen muchas burbujas de aire quemejoran mucho la capacidad aislante.

    Estos vasos, en realidad, es posible considerarlos como hechos de un, , pmaterial compuesto formado por un polmero y un gas.

    Las tazas metlicas son poco usadas, ya que su alta conductividad trmicapermite que el calor se transfiera rpidamente, pudiendo llegar a quemar lamano de quin las utilice.

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    1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.

    l i d l i l2. Evolucin de los Materiales.

    3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.

    4. Efectos Ambientales en los Materiales.

    5. La eleccin del Material

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    Evolucin de los materialesImportancia de los materiales en nuestra cultura

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    Evolucin de los materialesEdaddepiedra

    Piedra Madera Arcilla Cuero Cuero

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    Evolucin de los materialesEdaddelcobreCapacidadparaproduciryconformarlos materialeslosmateriales.SatisfacerlasnecesidadesAparecelacermicapDescubrimientodecambiodepropiedadesconelcambiotrmico

    EdaddelBronceSeleccindelosMateriales

    EdaddelHierro

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    Evolucin de los materialesEraActualComprendemoslarelacinentreelementos estructurales de los

    LacienciadelosmaterialesImplicainvestigarlarelacinentreestructura y propiedades de loselementosestructuralesdelos

    materialesysuspropiedadesCapacitadosenaltogradopara

    estructuraypropiedadesdelosmateriales

    Ingeniera de los Materialesmodificaroadaptarlascaractersticasdelosmaterialesalasnecesidadesdenuestrasociedad

    IngenieradelosMaterialesFundamentadaenlasrelacionespropiedadesestructuradiseao

    PlsticosVidrios

    proyectalaestructuradeunmaterialparaconseguirunconjuntopredeterminadodepropiedades

    FibrasAleaciones

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    1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.

    l d l l2. Evolucin de los Materiales.

    3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.

    4. Efectos Ambientales en los Materiales.

    5. La eleccin del Material

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    Relacin estructura-propiedades-procesamiento

    ESTRUCTURALaestructuradeunmaterialserelaciona con la disposicin de sus

    Estructuramicroscpica:Organizacindegrandesgruposdetomosenlazadosrelacionaconladisposicindesus

    componentesinternos

    Estructurasubatmica:Estructuramacroscpica:Organizacinelementosestructurales

    Electronesdentrodelostomosindividualeseinteraccionesconsuncleo

    susceptiblesdeapreciarseasimplevista

    Estructuraatmica:Organizacinespacialentretomosomolculas

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    Relacin estructura-propiedades-procesamiento

    PROPIEDADESMecnicas:(respuestaalesfuerzo) Fsicas: Resistencia Rigidez Ductilidad

    ComportamientoelctricoComportamientomagnticoComportamiento ptico Ductilidad

    Golperepentino(impacto) Cargascclicas(fatiga)

    ComportamientopticoComportamientotrmicoComportamientoelsticog ( g )

    Altastemperaturas(termofluencia) Condicionesabrasivas(desgaste)

    ComportamientoqumicoEstaspropiedadesdependentantodel t t d l i tCambiosestructuralespequeos

    tienenunefectoprofundosobrelaspropiedadesmecnicas

    laestructuracomodelprocesamientoMinsculasmodificacionesenlaestructuracausancambiosprofundosp penconductividadelctricasemicond.

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    Relacin estructura-propiedades-procesamiento

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    Relacin estructura-propiedades-procesamientoPROCESAMIENTO: Genera la forma deseada en un componente a partir

    Metales Cermicos Colado

    PROCESAMIENTO:Generalaformadeseadaenuncomponenteapartirdeunmaterialenbruto

    Fusindemetales(colado,soldaduraconysinmaterialdeaporte,etc.)

    Colado Conformado Extrusinocompactacincuando

    Conformadomediantealtaspresiones(forjado,trefilado,extrusin,laminado,doblado)

    estnhmedos Tratamientotrmicoatemperaturaselevadasparadesecaryaglutinar, , )

    Compactadodepequeaspartculasenunamasametlicaslida(metalurgiadepolvos)

    componentesPolimricos Inyeccin( g p )

    Eliminandomaterialexcedente(maquinado)

    Inyeccin Extruidosyconformados Tratadosatemperaturasinferioresal d f iladefusin

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    Relacin estructura-propiedades-procesamientoPROCESAMIENTO: Genera la forma deseada en un componente aPROCESAMIENTO:Generalaformadeseadaenuncomponenteapartirdeunmaterialenbruto

    Colado Soldadura PegaduraF j d Forjado

    Trefilado ExtrusionadoExtrusionado Laminado Doblado Metalurgiadepolvos Maquinado

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    1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.

    l d l l2. Evolucin de los Materiales.

    3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.

    4. Efectos Ambientales en los Materiales.

    5. La eleccin del Material

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    Efectos ambientales en los materialesLa relacin estructurapropiedadesprocesamiento recibe tambin la

    Carga:El ti d t tid

    Ejemplo:U t i l lt f d fl i

    Larelacinestructura propiedades procesamientorecibetambinlainfluenciadelmediocircundantealquesesometeelmaterial

    El tipo de carga a que est sometido unmaterial puede cambiar radicalmente sucomportamiento.El f d fl i i d l

    Un material con alto esfuerzo de fluenciapuede fallar fcilmente con cargasmenores si la carga es cclica (fatiga) o si seaplica sbitamente (impacto)El esfuerzo de fluencia por encima del

    cual el material experimenta un cambiopermanente en sus dimensiones, es lapropiedad ms crtica suele ser la

    aplica sbitamente (impacto)

    propiedad ms crtica, suele ser laconsideracin ms importante en eldiseo

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    Efectos ambientales en los materialesLa relacin estructurapropiedadesprocesamiento recibe tambin la

    Temperatura:L bi d t t lt l

    Larelacinestructura propiedades procesamientorecibetambinlainfluenciadelmediocircundantealquesesometeelmaterial

    LoscambiosdetemperaturaalteranlaspropiedadesdelosmaterialesLaresistenciadelosmaterialesdisminuye

    did t l t tamedidaqueaumentalatemperatura.Cambiosdesastrososporencimadelatemperaturacrtica.Lastemperaturasbajascausanfragilidaddelosmateriales.Losmaterialesendurecidosporprocesostrmicospierdensbitamentesuresistencia alsercalentados

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    Efectos ambientales en los materialesLa relacin estructurapropiedadesprocesamiento recibe tambin la

    Atmsfera:L d l l d l

    Larelacinestructura propiedades procesamientorecibetambinlainfluenciadelmediocircundantealquesesometeelmaterial

    Corrosin:L t l t d diLa mayora de los polmeros y de los

    metales reacciona con el oxgeno,particularmente a temperaturas elevadas.Al t l i d

    Los metales son atacados por diversoslquidos corrosivos siendo degradadosuniforme o selectivamente, pudiendodesarrollar grietas o picaduras queAlgunos metales y cermicos pueden

    desintegrarse muy severamente o seratacados qumicamente, mientras queotros se pueden autoproteger

    desarrollar grietas o picaduras queocasionan fallos prematuros.Las sustancias cermicas suelen seratacadas por otras sustancias cermicasotros se pueden autoproteger

    Los polmeros suelen endurecerse odespolimerizarse, tostarse o quemarse.

    atacadas por otras sustancias cermicasen estado lquido.Los polmeros suelen ser disueltos por

    t i di l tLos aceros pueden reaccionar con elhidrgenos y volverse frgiles.

    sustancias disolventes

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    Efectos ambientales en los materialesLa relacin estructurapropiedadesprocesamiento recibe tambin la

    Radiacin:L di i d lt d f t l t t i t d t d l

    Larelacinestructura propiedades procesamientorecibetambinlainfluenciadelmediocircundantealquesesometeelmaterial

    La radiacin de alta energa puede afectar a la estructura interna de todos losmateriales ocasionando prdida de resistencia, fragilidad o alteracin crtica de laspropiedades fsicas.L dil t i d id id d b b j d i di ti dLa dilatacin producida por cavidades y burbujas de origen radiactivo, pueden causarcambios en las dimensiones externas de los materiales y provocar su agrietamiento

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    1. Concepto de Ciencia y Tecnologa de los Materiales.

    l d l l2. Evolucin de los Materiales.

    3. Relacin EstructuraPropiedadesProceso.3. Relacin Estructura Propiedades Proceso.

    4. Efectos Ambientales en los Materiales.

    5. La eleccin del Material

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    Eleccin del materialEl bl d l di l i d t i lEl problema del diseo y seleccin de materiales

    Qu material cumple dichas Aplicacin: se debe cumplir

    unas funciones

    funciones y de todos aquellos que las cumplen

    cual es el ptimoespecficas

    A este proceso se le llama diseo y seleccin demateriales y existen metodologas especficas

    para poder realizar la seleccin de forma sistemtica

    Principal dificultad: El nmero de materiales disponibles es enorme;metales, cermicas, plsticos y compuestos conforman un vasto men (entre50.000 y 100.000 materiales) que estn a disposicin de las personas quedisean objetos e instrumentosdisean objetos e instrumentos.

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    Eleccin del materialNecesidad del mercado

    Diseo inicial

    Definir especificaciones Determinar las funciones del sistema Definir el principio de funcionamientoDiseo inicial

    Definicin generalDefinir el principio de funcionamiento

    Definir componentes y requerimientos cientfico-tecnolgicos, econmicos ysociales de cada uno de ellos

    Anlisis inicial de cada componente

    Parte fundamental dell

    Modelar y analizar cada componente

    Seleccionar los materiales de cada componente que cumplen los

    Diseo Detallado. Anlisis detallado de componentes

    componente proceso y es la que vamos aanalizar en este tema

    componente que cumplen los requerimientos definidos previamente Modelar y analizar las ligaduras

    Analizar los componentes en detalle Seleccionar proceso de fabricacin

    O ti i t i tdetallado de componentes

    Especificaciones de producto. Prototipo

    Fabricacin de un prototipoVerificacin de si el prototipo cumple las especificaciones definidas inicialmente

    En caso afirmativo, definir proceso

    Optimizar prestaciones y costo Especificar planos de diseo

    Diagrama de bloques del proceso de diseo

    de produccinEn caso negativo volver a las

    etapas anteriores y modificar el diseo o la seleccin de materiales

    Diagrama de bloques del proceso de diseo

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    Eleccin del materialP i d d l d l dif t ti d t i lPropiedades generales de los diferentes tipos de materiales

    Materiales Puntos Fuertes Debilidades

    Metales Rigidez (E100 GPa) Se deforman plsticamente(f 1MPa) Ductilidad Moldeabilidad Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2) Elevado punto de fusin (Tm1000C)Elevada resistencia al choque trmico (T500C) Elevadas conductividades elctricas y trmicas.

    Aleaciones Baja dureza (H 3f) AleacionesBaja resistencia a la fatiga (e 1/2f)Elevada resistencia a la corrosin recubrimientos

    C i Rigidez (E200 GPa) Muy baja tenacidad (K 2 MPa m1/2)Cermicas Rigidez (E200 GPa)Elevada resistencia a la fluencia y duras(f 3 GPa)Elevado punto de fusin (Tm2000C) Densidad moderada Resistencia a la corrosin

    Muy baja tenacidad (KIC2 MPa m1/2) Baja resistencia al choque trmico (T200C) Dificultad de moldeo mtodos de polvo

    Polmeros Ductilidad y moldeabilidad Baja rigidez (E2 GPa)Polmeros Ductilidad y moldeabilidad Resistencia a la corrosin Baja densidad Bajas conductividades elctricas y trmicas

    Baja rigidez (E 2 GPa) Elevada Fluencia (f 2-100 MPa) Baja temperatura de transicin vtrea (Tg100C) fluyen a baja temperatura Tenacidad media (KIC1 MPa m1/2)

    Materiales compuestos

    Rigidez (E>50 GPa) Resistencia mecnica (f 200 MPa) Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2) Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosin Baja densidad

    Dificultad de moldeo Elevado costo Elevada fluencia (matrices polimricas)

    Esta es la variada carta de la que deberemos seleccionar el material idneo.

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    Eleccin del material

    El proceso consta de tres etapas:

    1. Definicin de requerimientos para la aplicacin considerada.

    2. Clculo del ndice o ndices de material para la aplicacin

    3. Seleccin del material usando el ndice de material y los mapas de seleccin de materiales

  • TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy

    Eleccin del material

    1. Requerimientos:

    Requerimientos cientfico-tecnolgicos:Requerimientos cientfico tecnolgicos:Requerimientos especficos debe cumplir el material:Cargas, temperaturas, condiciones atmosfricas, conductividades trmica y elctricas requeridas, aspecto superficial, etc.elctricas requeridas, aspecto superficial, etc.

    Requerimientos econmicos:Coste por unidad de peso o volumen, su importancia depende del sector enp p , p pel que est. Se debe tener en cuenta coste de la materia prima, del procesode fabricacin y del transporte

    Requerimientos socio-ecolgicos:Aspectos medioambientales, seguridad, normativa especfica, reciclabilidad, Biodegradabilidad, etc.

  • TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismosy

    Eleccin del materialOrganizacin Microscpica Propiedades Macroscpicas

    Puente

    g p p p

    Puente Cientfico

    Aplicaciones

    C H0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

    composicinporcentualenC

    dureza 2Brinell 8

    40020

    10

    2

    6012080

    perlitafina

    perlita gruesa

    SIGLO XXI: Diseo de materiales a la carta: Los requerimientosfinales definen la estructura del material