Tema 8 Materiales para ingeniería

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Texto completo

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Tema 8

Materiales para ingeniería

2

Tema 8: Materiales para ingeniería

1.

Aleaciones férreas

2.

Aleaciones no férreas

1.

Aluminios

2.

Titanios

3.

Aleaciones de Mg, Ti, Ni

4.

Aleaciones de cobre

3.

Polímeros

4.

Materiales cerámicos

(2)

2

3

1. Aleaciones férreas

1.1. Aceros al carbono

1.2. Aceros aleados

1.3. Fundiciones

1.4. Aceros inoxidables

4

1.1. Aceros al carbono

Aleaciones de Fe-C con algo de Mn (0.30-0.95%) para

mejorar la resistencia

Aceros bajos en carbono

(C<0.2%)

Aceros medios en carbono

(0.2%<C<0.5%)

Aceros de alto carbono

(0.6%<C<0.95%)

Poca resistencia, mucha

ductilidad

(body panels in cars)

Más resitentes, menos dúctiles

(ejes, engranajes)

Alta resistencia, baja

ductilidad

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3

5

1.1. Aceros al carbono

6

1.1.Aceros al carbono

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4

7

1.1. Aceros al carbono

8

1.2. Aceros aleados

Necesidad:

•Mejora en las propiedades mecáncicas (alta resitencia con

buena ductilidad/tenacidad)

•Mejora de la resitencia a la oxidación/corrosión

Desarrollo de aleaciones a medida según los requerimientos:

•Adición de aleantes (Mn, Ni, Cr, Mo, W, V, Co, B, Cu, Al,

Pb, Ti, Nb)

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5

9

1.2. Aceros aleados

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

10

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6

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1.2. Aceros aleados

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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1.2. Aceros aleados

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7

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1.3. Aceros inoxidables

Se utilizan fundamentalemente por su resistencia a la corrosión.

Adición de Cr Oxido superficial que protege de la corrosión

Inoxidables ferríticos (BCC)

12%<Cr<30%

Inoxidables martensíticos

12%<Cr<17% + 0.15-1% C

Inoxidables austeníticos

16%<Cr<25% + %7<Ni<20%

Resistentes a corrosión y altas

temperaturas

Elementos de construcción

Capacidad de endurecimiento

Rodamientos, útiles quirúrgicos

Excelente resitencia a la

corrosión

Industria química

14

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8

15

1.3. Aceros inoxidables

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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1.3. Aceros inoxidables

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9

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1.4. Fundiciones

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

Aleaciones férreas con 2-4% C y 1-3% Si

Diseñadas para ser fundidas, solidifican contrayendo poco

Amplia gama de durezas. Se pueden alear para obtener resitencia a

desgaste, abrasión y corrosión.

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10

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1.4. Fundiciones

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.1. Aleaciones de aluminio

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2.1. Aleaciones de aluminio

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2.1. Aleaciones de aluminio

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12

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2.1. Aleaciones de aluminio

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed. http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=&pageid=1

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2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni

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2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni

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2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.4. Aleaciones de cobre

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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15

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2.4. Aleaciones de cobre

Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.

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2.4. Aleaciones de cobre

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16

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Materiales para biomedicina

Compatibilidad química

Resistencia a la corrosión

Resistencia mecánica

Rigidez adecuada

32

3. Polímeros

Son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más

pequeñas llamadas monómeros

Tipos de polímeros

:

Polímeros naturales: Celulosa, colágeno, queratina, seda, lana,…

Polímeros sintéticos:

Termoplásticos: Fluyen, pasando al estado líquido al aumentar la

temperatura. Pueden ser moldeados por calentamiento. Su estructura interna

presenta pocos entrecruzamientos

Termoestables: Se descomponen al calentarlos. Su estructura interna tiene

muchos entrecruzamientos.

Elastómeros: Bajo módulo elástico. Se deforman mucho de manera casi

reversible.

(17)

17

33

Polímeros amorfos

Polímeros amorfos: las moléculas forman una masa completamente enmarañada.

Polímeros cristalinos

Polímeros cristalinos: las moléculas (cadenas) se disponen según un ordenamiento regular.

No hay polímeros 100% cristalinos

3. Polímeros

Polímeros amorfos

T

g

(temperatura de transición vítrea)

Polímeros cristalinos

T

g

y T

m

(temperatura de fusión)

Parte amorfa Parte cristalina

T < Tg

T > Tg

Duros y frágiles

Blandos y flexibles

34

Valores de T

g

y T

m

en polímeros comunes

(18)

18

35 PS Poliestireno PVC Policloruro de vinilo PP Polipropileno PE Polietileno Commodity plastics Polímeros fluorados Polímeros acrílicos Policarbonato Poliésteres PA poliamidas Engineering TERMOPLASTICOS Elastomeros Siliconas Poliuretanos Epoxídicas Poliésteres Resinas amínicas Fenólicos TERMOESTABLES Polímeros Sintéticos

3. Polímeros

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Es uno de los polímeros de mayor consumo debido a sus propiedades y

fundamentalmente a su bajo costo.

Propiedades generales

• Alta resistencia eléctrica • Buen aislante térmico

• Bajo costo y facilidad de manufactura • Color blanco lechoso

Limitaciones del polietileno: • Bajo punto de reblandecimiento, • Pobre resistencia al rallado, • Falta de rigidez,

• Baja resistencia a la tracción • Alta permeabilidad a los gases.

- (CH

2

-CH

2

)

n

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19

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LDPE

Polietileno de baja densidad

„

Se forma con la polimerización a T alta y P elevadas

„

Cadenas muy ramificadas y bajo grado de cristalinidad (<40%).

ρ

= 0.92-0.94 g/cm

3

„

Se emplea cuando se requiere un plástico flexible, con resistencia al

impacto y resistencia a la formación de grietas.

HDPE

Polietileno de alta densidad

„

Se forma con la polimerización a T alta y P bajas

„

Cadenas con ramas cortas y alto grado de cristalinidad.

ρ ≈

0.96 g/cm

3 „

Presenta la desventaja de fragilidad frente al LDPE

3. Polímeros Tipos de PE

38

Aplicaciones:

„

Maquinaria y automoción:

asas, tiradores, tapones, juntas,

revestimiento interior...

„

Electrotecnia

: aislamiento de cables de alta tensión y

telecomunicación

„

Construcción

: tuberías de agua potable y desagüe, de calefacción,

codos, césped artificial...

„

Transporte

: contenedores, cajas-botellero, bidones, cubos de

basura...

„

Diversos

: recipientes de uso doméstico, guantes, bolsas de la

compra, monofilamentos para tejidos y sogas...

(20)

20

39

3. Polímeros. Policloruro de vinilo (PVC)

CH

2

CH

Cl

n

Propiedades PVC rígido • Resistente a la llama • Buena resistencia al agua

• Resistente a la acción de hongos, bacterias, insectos y roedores • El PVC da un aislamiento (térmico, eléctrico y acústico) moderado.

Propiedades del PVC plastificado (adición de disolvente) • Se reduce rigidez y fragilidad.

• Disminución resistencia a la tensión.

• Se reduce mucho la Tg, pasando de región rígida a tipo GOMOSA.. • El aislamiento es menor que el PVC Rígido

• Buena resistencia a la abrasión

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Aplicaciones

Construcción: tubos para distribución de agua potable; ventanas; puertas; persianas…

Envase :botellas (agua mineral, aceites comestibles, zumos,…) • Juguetes:muñecas, pelotas, etc.

Medicina:Bolsas para suero, plasma y sangre, guantes quirúrgicos… • Automóvil:paneles de puertas, tableros de mandos, perfiles embellecedores,

cables eléctricos, juntas de ventanas, tapicerías, etc.

Electricidad y electrónica:cables eléctricos para uso doméstico e industrial, perfiles rígidos para cables, tubos, enchufes, etc.

(21)

21

41

Propiedades

Similar al PE pero tiene densidad más baja

Resisten perfectamente el agua hirviendo

No sufre roturas bajo tensión

Capaz de resistir continuas y prolongadas flexiones

Aplicaciones

Envases de film: golosinas, galletitas...

Envases de inyección: yogures, mantequilla, tapas...

Botellas para agua o zumos

Industria automovilística: parachoques, adornos interiores,

bastidores del aire acondicionado y la calefacción.

Equipos esterilizables para hospitales

Partes de lavadoras y tuberías de agua caliente

3. Polímeros. Polipropileno PP

CH

2

CH

CH

3

n

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3. Polímeros. Poliestireno (PS)

CH

2

CH

n

Propiedades

• Material transparente y con brillo .

• Resistente al agua => empaquetado de alimentos • Baja resistencia al impacto (fragilidad)

• Buen aislante (peor que el PE) aunque necesita aditivos para controlar su acusada tendencia a acumular cargas electrostáticas.

• El material amarillea con la exposición a la luz UV y el oxígeno.

Aplicaciones

Se utiliza principalmente en aplicaciones dónde se requiere rigidez y transparencia del material a bajo costo.

• En envasado de alimentos: envases desechables.

• Como filamento en pelos para cepillos y en objetos de decoración.

• Otras aplicaciones son: Vasos de usar y tirar, cubiertos desechables,

(22)

22

43

3. Polímeros. Poliestireno expandido (EPS)

Material plástico celular y rígido

fabricado a partir del moldeo de

poliestireno (90-95%) y un agente

expansor gaseoso (p. ej. CO

2

)

Aplicaciones:

Como aislamiento térmico y/ó acústico en obra civil

Como material de envase y embalaje en

alimentación, electrodomésticos, electrónica e

informática, juguetes, …

Cascos protectores para ciclistas y motoristas,

flotadores, salvavidas y tablas de surf. ;

44

3. Polímeros. Poliesteres (PET y PBT)

Polietileno tereftalato

PET

Tipos

– A-PET (amorfo): transparente, T

molde

<40º

– C-PET(semicristalino): opaco, mejores propiedades, T

molde

<140º

– T

uso

C>T

uso

A

Propiedades y aplicaciones del PET –Económico

–Resistencia a tracción –Tenaz, duro, resistente al calor

Es uno de los termoplásticos más usados en la fabricación de botellas y envases de uso alimentario: •Cristalinidad y transparencia, aunque admite cargas de colorantes

•Muy buena barrera a CO2, aceptable barrera a O2y humedad. •Totalmente reciclable

(23)

23

45

4. Materiales cerámicos

Los cerámicos son materiales no

orgánicos formados por la

combinación de elementos

metálicos y no-metálicos unidos

por enlaces covalentes e iónicos.

Propiedades generales:

Son duros y frágiles

Alto punto de fusión

Estabilidad química

Buenos aislantes eléctricos y térmicos (hay cerámicas

conductoras)

Cerámicos tradicionales: barro, sílice…

Cerámicas Técnicas: Alúmina, Nitruro de silicio, Carburo de

silicio,…

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4. Materiales cerámicos

Campos de aplicación:

Mecánica : Herramientas de corte, cierres, piezas en bombas, válvulas…

Transferencia de calor: Aislamiento, radiación, elementos calefactores,

crisoles,…

Electromagnéticas: Condensadores, Sustratos y dieléctricos en CI,

aislantes, sensores

Optica: Fibras ópticas, LEDs,…

(24)

24

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4. Materiales cerámicos. Si

3

N

4

Material estructural para altas temperaturas

Resistencia al desgaste a altas temperaturas

Resistencia al choque térmico

Resistencia a la oxidación

Baja densidad

Propiedades

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4. Materiales cerámicos. Si

3

N

4

Aplicaciones:

Boquillas para soldadores por arco

Termopares

Rotores de turbinas

Componentes para desgaste: bolas de

rodamientos para alta temperatura

Herramientas de corte para superalaeaciones

y fundiciones

(25)

25

49

4. Materiales cerámicos. SiC

Material estructural para altas temperaturas

Alta resistencia a altas temperaturas

Abrasivos

Resitente a la corrosión y oxidación

Baja tenacidad

Propiedades

50

4. Materiales cerámicos. SiC

Aplicaciones

Materiales resistentes a la

abrasión: sellos mecáncos,

válvulas, bolas de

rodamientos

Equipos de pulido

Intercamniadores de calor y

elementos calefactores

Turbinas de gas

(26)

26

51

4. Materiales cerámicos. Al

2

O

3

Comercialemente, uno de los cerámicos más usados

Aislante eléctrico

Duro

Biocompatible

Resistente a la abrasión

Propiedades

52

4. Materiales cerámicos. Al

2

O

3

Aplicaciones

Bujías

Porcelana

Herramientas de corte

Losetas y ladrillos para aislamiento térmico

Crisoles

Biomedicina

(27)

27

53

4. Materiales cerámicos. Aislamiento térmico

SiO

2

54

4. Materiales cerámicos. Vidrio

(28)

28

55

4. Materiales cerámicos. Vidrio

56

4.

Materiales cerámicos

. Vidrio templado

(29)

29

57

4. Materiales cerámicos. Microelectrónica

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