TEMA 1

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


1. Concepto de ciencia y Tecnologa de los Materiales.

IngenierosManejanMateriales

TEMA1:IntroduccinalosMaterialesyeleccindelosMismos

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


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


Tipos de materialesU d l M t l l iUsosdelosMetalesysusaleaciones

Estructuralesodecarga

Conductoreselctricos

Motoresygeneradoreselctricos

Motores automocin Motoresautomocin

Industriaaeroespacial

Herramientas


Tipos de materialesMaterialesCermicos

Ladrillos Vidrio

Caractersticas Bajaconductividadelctrica

Vidrio Porcelana Materialesrefractarios

Bajaconductividadtrmica Altaresistenciamecnicaacompresin

Abrasivos Aislamientotrmicoyelctrico

compresin Frgilesyquebradizos Duros y no dctiles Durosynodctiles Resistencia al impacto


Tipos de materialesUsosMaterialesCermicos

Ladrillos Vidrio Vidrio Porcelana Materialesrefractarios Abrasivos Aislamientotrmicoyelctrico


Tipos de materialesMaterialesPolmeros

Caucho(hule) Plsticos

Caractersticas Bajaconductividadelctrica

Plsticos Adhesivos Lubricantes

Bajaconductividadtrmica Bajaresistenciamecnica

( ) Siliconas Hidrogeles

Dctiles(termoplsticos) Resistentes(termoestables)

il ( bl ) FibrasTextiles Frgiles(termoestables)


Tipos de materialesUsosMaterialesPolmeros

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


Tipos de materialesMaterialesSemiconductores

SilicioGermanio

Caractersticas Conductividadelctricaenun

tid Germanio Selenio ArseniurodeGalio

sentido Resistenciaensentidoopuesto Baja resistencia mecnica

SeleniurodeZinc Telururo dePlomo

Bajaresistenciamecnica Frgiles


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


Tipos de materialesUsosMaterialesCompuestos

Construccin Industria Aeronutica IndustriaAeronutica IndustriaAeroespacial Industria DeportesyCompeticin


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.


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.



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





Evolucin de los materialesImportancia de los materiales en nuestra cultura


Evolucin de los materialesEdaddepiedra

Piedra Madera Arcilla Cuero Cuero


Evolucin de los materialesEdaddelcobreCapacidadparaproduciryconformarlos materialeslosmateriales.SatisfacerlasnecesidadesAparecelacermicapDescubrimientodecambiodepropiedadesconelcambiotrmico

EdaddelBronceSeleccindelosMateriales

EdaddelHierro


Evolucin de los materialesEraActualComprendemoslarelacinentreelementos estructurales de los

LacienciadelosmaterialesImplicainvestigarlarelacinentreestructura y propiedades de loselementosestructuralesdelos

materialesysuspropiedadesCapacitadosenaltogradopara

estructuraypropiedadesdelosmateriales

Ingeniera de los Materialesmodificaroadaptarlascaractersticasdelosmaterialesalasnecesidadesdenuestrasociedad

IngenieradelosMaterialesFundamentadaenlasrelacionespropiedadesestructuradiseao

PlsticosVidrios

proyectalaestructuradeunmaterialparaconseguirunconjuntopredeterminadodepropiedades

FibrasAleaciones


Relacin estructura-propiedades-procesamiento

ESTRUCTURALaestructuradeunmaterialserelaciona con la disposicin de sus

Estructuramicroscpica:Organizacindegrandesgruposdetomosenlazadosrelacionaconladisposicindesus

componentesinternos

Estructurasubatmica:Estructuramacroscpica:Organizacinelementosestructurales

Electronesdentrodelostomosindividualeseinteraccionesconsuncleo

susceptiblesdeapreciarseasimplevista

Estructuraatmica:Organizacinespacialentretomosomolculas



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.


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


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


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



Temperatura:L bi d t t lt l


LoscambiosdetemperaturaalteranlaspropiedadesdelosmaterialesLaresistenciadelosmaterialesdisminuye

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



Atmsfera:L d l l d l


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



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


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


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.


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


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.


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


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.


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

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