PNFM TMA Introducción a los Materiales pdf

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Facilitador: Prof. Pedro Quintela

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Introducción a los Materiales

Mayo 2015

Tecnología de los Materiales

Presentación Introducción

Ciencia e ingeniería de los materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos Materiales poliméricos Materiales cerámicos Materiales compuestos Materiales electrónicos

Relación Estructura Propiedades Procesamiento Efectos Ambientales

Temperatura Corrosión Diseño y Selección

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Introducción

PNFM

Todos

los ingenieros tienen que ver con materiales

,

de manera cotidiana, en manufactura y

procesamientos, y en el diseño y construcción de

componentes o de estructuras. Deben seleccionar y

utilizar materiales y analizar las fallas

de los mismos.

Tecnología de los

Materiales

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Materiales

Conocimiento básico de los

materiales

Conocimiento resultante de la estructura, propiedades, elaboración

y comportamiento de los materiales de ingeniería

Conocimiento aplicado de los

materiales

Ciencia

Ciencia e Ingeniería

de los materiales Ingeniería

Ciencia e Ingeniería de los Materiales

La ciencia de los materiales es el conocimiento básico de la estructura interna, las propiedades y la elaboración de materiales.

La ingeniería de los materiales se interesa principalmente por el empleo del conocimiento fundamental y aplicado acerca de los

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La ciencia e ingeniería de los materiales forman un puente entre el

conocimiento de las ciencias básicas y las

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Materiales

Tipos de materiales

Tipos de Materiales

Metálicos

Cerámicos

Polímeros Semiconductores

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Tipo Aplicaciones Propiedades Metales

Cobre Alambre conductor eléctrico Alta conductividad eléctrica, buena formabilidad Hierro fundido gris Bloques para motor de automóvil Moldeable, maquinable. absorbe vibraciones

Aleación de aceros Llaves Endurecidas de manera significativa mediante tratamientos térmicos

Cerámicos

SiO₂-Na₂O-CaO Vidrio para ventana Ópticamente útil, aislante térmico

AI₂O₃, MgO, SiO₂ Refractarios para contener metal

fundido

Aislantes térmicos, se funden a alta temperatura, relativamente

inertes ante metal fundido

Titanato de bano Transductores para equipo de _audio Convienen sonido en electricidad (comportamiento _{piezoeléctrico)}

Polímeros

Polietileno Empacado de alimentos Fácilmente conformable en delgadas películas flexibles e impermeables

Epóxicos Encapsulado de circuitos

integrados Eléctricamente aislante y resistente a la humedad Fenólicos Adhesivos para unir capas de _{madera laminada} Fuertes y resistentes a la humedad

Semiconduclores

Silicio Transistores y circuitos _integrados Comportamiento eléctrico único GaAs Sistemas de fibras ópticas Convierte señales eléctricas en luz

Compuestos

Grafito en matriz

epóxica Componentes para aeronaves Relación elevada resistencia-peso Carburo de

tungsteno-cobalto

Herramientas de corte de

carburo para maquinado Alta dureza, y de una buena resistencia al impacto Acero recubierto de

titanio Recipientes para reactores

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Materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos

Materiales Metálicos

Son aquellos que están compuestos básicamente por uno o más metales. También pueden contener otros materiales como el carbono.

Los materiales metálicos cuyo componente principal es el hierro son llamadosmetales ferrosos.

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Aleación Propiedades Aplicaciones Observaciones Hierro dulce

C < 0,1%

•Se considera hierro puro. •Se oxida con facilidad y se

agrieta internamente.

•Aplicaciones eléctricas y electrónicas.

•Buen conductor de la electricidad.

•Es blando debido a que el contenido en carbono es muy pequeño.

Aceros

0,1% < C < 2%

•Son dúctiles y maleables. •Se oxidan con facilidad.

•Se pueden forjar aumentando así su resistencia mecánica Buena soldadura

•Al incrementar el contenido en carbono incrementan su

dureza. •Son tenaces.

•Vehículos.

•Chapas, alambres y herramientas de corte.

•Se moldean en estado sólido frío o en caliente. •Los aceros con menor

contenido en carbono se llaman “suaves” por ser más blandos y fáciles de

moldear.

Fundiciones

2% < C < 5%

•Menos dúctiles y menos tenaces que los aceros pero más duros (El carbono aporta dureza pero aumenta la

fragilidad).

•Funden fácilmente, a más baja temperatura que los aceros y el hierro puro (400°C menos) •Mala soldadura

•Bloques de motores. •Permite la fabricación de piezas complicadas

utilizando moldes, porque en estado líquido son muy fluidas y se contraen poco al enfriarse.

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Metal Puro Propiedades Aplicaciones

Cobre •Color rojizo.

•Muy buen conductor eléctrico y térmico.

•Resistente a la corrosión.

•Fácil soldadura.

•Muy dúctil y maleable.

•Conductores eléctricos y térmicos.

•Alambres, varillas, planchas metálicas y listones de metal.

Estaño •Color blanco azulado brillante.

•Blando. •Inoxidable.

•Se emplea fundamentalmente en soldadura de

componentes eléctricos y electrónicos por su bajo punto

de fusión.

•Soldadura de tubos de la calefacción

Cinc •Color blanco.

•Muy resistente a la corrosión y a la oxidación.

•Recubrimiento de tejados, canalones y tubos

Aluminio •Color blanco brillante.

•Ligero.

•No tóxico.

•Barato y blando.

•Envasado de alimentos

•Cables de líneas eléctricas de alta tensión Carpintería

•Latas de bebida

Magnesio •Muy ligero.

•Alto precio.

•En estado líquido o fundido reacciona violentamente con el oxígeno.

•Aplicaciones aeroespaciales por ser muy ligero, aunque se alea con otros para aumentar su resistencia

mecánica.

•Uso en pirotecnia y explosivos. Titanio •Muy caro.

•Muy buena resistencia mecánica.

•Es biocompatible, se puede emplear como prótesis médicas.

•Implantes biomédicos

•Motor turborreactor

•Estructuras aeronaves.

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Aleación Propiedades Aplicaciones Latón

(cobre y cinc) 5 - 40% Zn

•Color amarillo.

•Muy dúctil y maleable.

•Doble de resistencia a la tracción que el Cu o el Zn puros.

•Radiadores, cerraduras, bisagras, accesorios fontanería.

Bronce

(cobre y estaño) 10% Sn

•Color amarillo oscuro.

•Más resistencia a la tracción que el latón.

•Resistente a la corrosión. •Al fundirse es muy fluido y por

tanto fácil de verter en un molde (colar).

•Engranajes, cojinetes, entre otros. •Estatuas y monumentos.

Aluminio, cobre y magnesio

94% Al, 4% Cu, 2% Mg

•Más resistente a los esfuerzos que el aluminio puro.

•Estructura de aviones, llantas de camiones y autobuses.

Magnesio y aluminio

91% Mg, 9% Al

•El aluminio mejora las propiedades mecánicas del magnesio.

•Llantas de automóviles.

•Motores y cubiertas de automóviles.

Titanio y aluminio

94% Ti, 9% Al

•El aluminio abarata los objetos realizados con titanio.

•Componentes estructurales de los aviones. •Turbinas de aviones.

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Materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos Materiales poliméricos

Materiales Poliméricos

Producidos mediante un proceso conocido como

polimerización, es decir, creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas.

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Clasificación de los Polímeros

Las largas cadenas moléculas no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductilidad y

conformabilidad

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Tipos Más Comunes Usos

Polietilenos Bolsas, recipientes, contenedores...

Poliésteres saturados Botellas para bebidas, envases alimenticios… Poliestirenos Protectores en embalajes, planchas aislantes...

Polivinilos Tuberías da agua y gas, aislantes eléctricos,

impermeables, antiguos discos de música…

Polipropilenos Cajas, estuches con tapa abatible, Jeringuillas...

Fenoles Aislantes eléctricos, interruptores, bases de enchufe…

Aminas Clavijas, interruptores, recubrimientos de tableros...

Resinas de poliéster Embarcaciones, piscinas, fibras y tejidos...

Resinas epoxi Material deportivo, alas de aviones, adhesivos...

Cauchos Neumáticos, mangueras, artículos de goma...

Neoprenos Trajes de submarinismo, rodilleras, correas...

Poliuretanos Gomaespuma, piel artificial, guardabarros...

Siliconas Prótesis, sondas y tubos de uso médico, cierres

herméticos...

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Materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos Materiales poliméricos Materiales cerámicos

Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos son

materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos enlazados químicamente entre sí. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezclas de ambos.

La mayoría de los materiales

cerámicos tienen una gran dureza y resistencia a las altas temperaturas pero tienden a ser frágiles (con poca o nula deformación antes de la fractura). Destacan entre las ventajas de los

materiales cerámicos para aplicaciones industriales su peso ligero, gran

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Materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos Materiales poliméricos Materiales cerámicos Materiales compuestos

Materiales Compuestos

Los materiales compuestos se forman a partir de dos o más materiales, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de manera individual.

El concreto, la madera contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos típicos.

Con materiales compuestos podemos producir materiales ligeros, fuertes, dúctiles, resistentes a altas temperaturas, o bien, podemos producir herramientas de corte duras y a la vez resistentes al impacto, que de otra manera se harían añicos.

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Materiales

Materiales Electrónicos

Materiales tales como el silicio, el germanio y una variedad de compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) son muy frágiles, resultan esenciales para aplicaciones electrónicas, de computadoras y de

comunicaciones.

La conductividad eléctrica de estos materiales puede

controlarse para su uso en dispositivos electrónicos como transistores, diodos y circuitos integrados.

La información hoy día se transmite por luz a través de sistemas de fibras ópticas; los semiconductores, que

convierten las señales eléctricas en luz. y viceversa son

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Materiales Propiedades Aplicaciones

Germanio Movilidad superior a la del silicio.

Disipación de calor baja, mayor cantidad de defectos cristalinos. 80°C máxima temperatura de servicio

Diodos, transistores,

conmutadores, transductores de presión, detectores de RX (no dispersivos)

Silicio Mas utilizado que el germanio:

mejores propiedades térmicas, frecuencias de trabajo hasta 8 GHz. Es dañado por radiación y

partículas nucleares

Diodos, transistores, fotocélulas, transductores piezoeléctricos, lentes de infrarrojos, tiristores, conmutadores y dispositivos de carga, multiplicadores de

frecuencia, microcircuitos e integrados

GaAs, GaP, GaAs, GaPAs, GaSb, InAs, InSb, InP, GalnAs, InGaSb, InAISb, GaInAsP, ZnS, CdTe,

CdSeTe, ZnSe, ZnCdS, CdS, ZnPbTe, PbTe, PbS

Movilidades del mismo orden o superiores a la del silicio. Inferiores propiedades térmicas: transmisión de calor y dilatación térmica.

Mayor densidad de defectos, más resistentes a las radiaciones.

Frecuencias de operación 8 GHz -80 GHz

Fotodiodos, fototransistores, fotocélulas, emisores-receptores láser, sensores efecto Hall,

dispositivos luz visible e IR, sensor de radiación nuclear, integrados de alta velocidad: telecomunicaciones y ordenadores. Conmutación y amplificación de alta frecuencia

Óxidos metálicos: de Fe, Zn, Ni, Cr, Mn, Mg (dopados)

Alta resistividad, baja movilidad, bajas pérdidas por acoplamientos parásitos, frecuencias de operación desde 1 KHz a 400 MHz

Resistores cerámicos, varistores, termistores (reguladores de tensión-temperatura)

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Materiales

Relación

Estructura-Propiedades-Procesamiento

El ingeniero mecánico debe conocer la relación compleja entre la estructura interna del material, su procesamiento y las

propiedades finales del mismo. Cuando el ingeniero de

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Materiales

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Propiedad Metales Cerámicos Vidrios Polímeros Cemento

y Concreto Compuestos

Resistencia a la tracción E M B M B A-M-B

Resistencia a la compresión M A B A A A-M-B

Resistencia a la flexión A M B A M A-M-B

Resistencia al desgaste A A B M B A-M-B

Dureza A-M A M B M A-M-B

Tenacidad A A B A B A-M-B

Plasticidad A B N A N A-M-B

Densidad A-M M-B M-B M-B M-B A-M-B

Conductividad térmica A B B N B A-M-B

Conductividad eléctrica A M-B N N N A-M-B

Propiedades magnéticas E F N N N A-M-B

E=Excelente, A=Alta, M=Media, B=Baja, N=Nula

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Materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos Materiales poliméricos Materiales cerámicos Materiales compuestos Materiales electrónicos Relación Estructura

Estructura

La estructura de un material se puede considerar a diferentes niveles:

Incluye la

distribución de los electrones que rodean al núcleo de cada átomo Individual.

Atómico Cristalino

Granular Multifásica

Considera la forma

en que se arreglan los átomos en el material.

Microestructura: El comportamiento del material

depende

del tamaño, forma y número de granos.

Macroscópico: El tipo, tamaño y distribución de estas fases dentro del material influye

en las propiedades

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PNFM

Materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos Materiales poliméricos Materiales cerámicos Materiales compuestos Materiales electrónicos Relación Estructura Propiedades Procesamiento

Procesamiento

El procesamiento de los materiales genera la forma deseada del componente a partir de un material uniforme.

- Fundición - Soldadura

- Forjado, trefilado, laminado, doblado - Metalurgia de polvos - Maquinado

Metales Cerámicos

Polímeros Vidrios

- Compactación

- Colada en pasta fluida - Colado continuo de

suspensión

- Conformado rotatorio de pasta

- Extrusión

- Moldeo por inyección

- Moldeo rotatorio

- Conformado - Extrusión

- Moldeo por soplo

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Materiales

Efectos Ambientales sobre el

Comportamiento de los Materiales

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PNFM

Materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos Materiales poliméricos Materiales cerámicos Materiales compuestos Materiales electrónicos Relación Estructura Propiedades Procesamiento Efectos Ambientales Temperatura

Temperatura

Los cambios en temperatura alteran de manera notable las propiedades de los materiales.

Los materiales que han sido endurecidos por ciertos tratamientos térmicos o ciertas técnicas de conformado pueden perder súbitamente su resistencia al ser

calentados.

Las temperaturas elevadas modifican la estructura de la cerámica y hacen que los polímeros se derritan o se carbonicen, mientras que las bajas temperaturas pueden causar que un metal o polímero falle por fragilidad, aun cuando las cargas aplicadas sean bajas.

• Reblandecimiento • Degradación

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Materiales

Temperatura Corrosión

Corrosión

La oxidación es una reacción química en la que un metal o un no metal cede electrones.

La reacción química opuesta a la oxidación se conoce como reducción, es decir cuando una especie química acepta

electrones.

Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. Una cede electrones y la otra los acepta.

Por esta razón, se prefiere el término general de reacciones redox

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La corrosión por sí misma es inevitable, sin embargo, puede ser prevenida para evitar afectaciones a la construcción y así incurrir en la utilización de mayores

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Materiales

Tipos de materiales Materiales metálicos Materiales poliméricos Materiales cerámicos Materiales compuestos Materiales electrónicos Relación Estructura Propiedades Procesamiento Efectos Ambientales Temperatura Corrosión Diseño y Selección

Diseño y Selección de Materiales

En la actualidad los materiales se diseñan de acuerdo a una aplicación específica, esto es gracias a la gran cantidad de información disponible y a las herramientas que permiten predecir el comportamiento mecánico de un material.

Factores a considerar para la selección de un material: 1.- Factibilidad de fabricación

2.- Estabilidad dimensional

3.- Compatibilidad con los demás materiales 4.- Reciclabilidad

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Objetivo principal de la UC Tecnología de los Materiales

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Criterios para la selección:

- Abundancia - Dureza

- Conocimientos para transformar las

materias primas en herramientas útiles.

La evolución de la historia de la humanidad ha estado unida a la habilidad para seleccionar los materiales que ofrece la naturaleza y a utilizarlos para resolver las diferentes necesidades que han ido surgiendo con el paso de los siglos.

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Factores básicos a considerar en la selección de

materiales

Físicos Tamaño, forma, peso del material que se necesita, así como el espacio disponible para

el componente lo que guardan relación con el tratamiento del material.

Mecánicos Tienen que ver con la capacidad del material para soportar los tipos de esfuerzos que

se le imponen.

Procesamiento y posibilidad de fabricación

Se relacionan con la capacidad de dar forma al material.

Duración de los componentes

Se relacionan con el tiempo durante el cual los materiales desempeñan las funciones a las que han sido destinados, en el ambiente al que están expuestos.

Costos y disponibilidad En una economía impulsada por el mercado estos dos factores son inseparables.

Códigos Conjuntos de requisitos que se imponen al material y a otros componentes (ASME,

ASTM, SAE)

Factores estatutarios

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Un diseñador de componentes siempre busca encontrar el material ideal para su

componente. Se pueden mencionar, entre otras características, que un material ideal cumple con la siguiente lista de requisitos:

- Inagotable y siempre disponible para su reemplazo. - Barato para refinar y producir.

- Fuerte, rígido, y dimensionalmente estable a diferentes temperaturas. - Liviano.

- Resistente a la corrosión y al desgaste.

- Respetuoso con el medio ambiente y las personas. - Biodegradable.

Estos requisitos hacen que el ingeniero o diseñador tenga dificultad en seleccionar el material ideal.

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Propiedades a tener en cuenta…

Ningún ingeniero pretenderá APRENDER y RECORDAR

TABLAS, GRAFICOS Y LISTAS de valores de propiedades de los

materiales, pero si tendrá en cuenta los diferentes tipos de propiedades relacionadas al diseño que se quiere encarar. Indudablemente que en

cualquier diseño real se

necesita un valor exacto, que se obtiene a partir de las especificaciones de iniciales del proyecto, pero el

conocimiento de las

propiedades y luego de las magnitudes en juego nos evitara cometer

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Con este método, el ingeniero o diseñador escoge el material que cree más adecuado, con base en la experiencia de partes que tienen un funcionamiento similar y que han mostrado buenos resultados. Este método es también conocido como materiales de ingeniería de partes similares. El método mantiene buena aceptación debido a lo siguiente:

- El ingeniero se siente seguro con un material usado en el mismo campo y ensayado.

- Las características del material empleado, por ejemplo acero, ya han sido estudiadas

previamente y por lo tanto no es necesario realizer estudios previos a la selección.

- El suministro de acero esta asegurado.

- Generalmente en un gran porcentaje de partes se usan aceros baratos, sin tratamiento

térmico, evitando pérdida de tiempo en ensayos y procesos.

- Ahorro considerable de tiempo.

- Contribuye a la estandarización del stock de materiales.

- Sin embargo, el uso de este método, en ocasiones conduce a serios problemas, ya que no se hace un estudio real del AMBIENTE DE TRABAJO DEL COMPONENTE O EQUIPO, el cual puede ser decisivo a la hora de escoger el material.

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Selección de materiales: método gráfico

Este método se apoya en graficas conocidas como MAPAS DE MATERIALES, en las que se relacionan por pares ciertas propiedades de los materiales. El método fue diseñado

exclusivamente para ser utilizado durante la etapa conceptual de la selección de

materiales. En estos mapas se puede hacer una aproximación del material más adecuado (perteneciente a una determinada familia de materiales), con base en la relación de las propiedades más importantes que debe poseer el componente.

Como es de esperar, rara vez el comportamiento de un componente depende sólo de una propiedad. De igual manera, los mapas de materiales, también denominados diagramas de

Ashby, muestran que las propiedades de las diferentes clases de materiales pueden variar

en amplios intervalos (dependiendo del estado de estos), formando grupos que se ubican en áreas cerradas, zonas o campos en tales diagramas. Eso significa, que una misma

familia de materiales puede tener una apreciable variación en sus propiedades, generando un campo o zona en los mapas.

En estos mapas se relacionan entre otras, propiedades, la resistencia mecánica, módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad térmica, costes, etc.

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.

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Método con la ayuda de bases de datos

En la Internet existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales, que han sido

construidas para comercialización libre o son distribuidas por vendedores de materiales. Estas bases de datos son el resultado de investigaciones en ensayos de materiales.

Las bases de datos se dividen básicamente en dos categorías, numéricas y literarias o de referencias bibliográficas.

Dentro de las más importantes bases de datos están el banco de datos de la ASTM, la SAE, la ASM, la AISI, la NASA, entre otros. Una base de datos pública que ha adquirido gran

importancia por la cantidad de datos y variedad de materiales que maneja, puede ser consultada en la página web.

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Método con la ayuda de bases de datos

La selección de materiales con ayuda de estas bases de datos, parte del conocimiento de las principales propiedades se que deben tener en cuenta para un fin específico.

El programa pide entonces el valor aproximado de las propiedades que debe tener el

componente y lista uno o varios materiales que pueden servir. Son varias las fuentes donde se compilan bases de datos.

También se dispone de SOFTWARE ESPECÍFICO en el mercado para la selección de materiales, CES EduPack es uno de los más conocidos y empleados en el mundo del diseño e ingeniería.

Más de 800 las universidades de todo el mundo utilizan este programa, aunque no sólo las universidades utilizan este software. Gran cantidad de empresas e entidades mundialmente conocidas también se han hecho con sus servicios, algunas de ellas tan importantes como: Ferrari, Renault F1, Intel, NASA, etc.

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Niveles CES EduPack

NIVEL 1 (Freshman)

En este nivel se pueden encontrar 67 materiales diferentes, los más utilizados de entre las distintas familias: metales y aleaciones, cerámicas (técnicas y no técnicas), polímeros,

elastómeros, espumas, compuestos, vidrios y materiales naturales. Dispone de 77 procesos

diferentes, los más utilizados de entre: conformado, tratamiento superficial y unión. En

cuanto al contenido de este nivel, se puede encontrar una descripción detallada del

material o proceso, una imagen, un producto familiar, usos típicos y datos técnicos básicos para propiedades generales, mecánicas, térmicas, eléctricas, etc.

NIVEL 2 (Sophomore)

En este nivel se pueden encontrar 98 materiales diferentes, los más utilizados más algunos otros no tan comunes de entre las mismas familias que en el nivel anterior. Se dispone de

109 procesos diferentes de entre conformado, tratamiento superficial y unión. El contenido

en este nivel es más completo que en el nivel anterior: se puede encontrar la misma información que en el nivel 1 pero complementada con más datos numéricos, más propiedades, pautas de diseño y notas técnicas.

NIVEL 3 (Research)

Se trata del nivel más complejo de todos, en él se pueden encontrar 2954 materiales

diferentes y 230 procesos diferentes, materiales y procesos de uso avanzado utilizados en

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