Tema 8 Materiales para ingeniería

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1 Tema 8 Materiales para ingeniería 1 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 1. Aleaciones férreas 1.1. Aceros al carbono 1.2. Aceros aleados 1.3. Fundiciones 1.4. Aceros inoxidables Aceros al carbono Aleaciones de Fe-C con algo de Mn ( %) para mejorar la resistencia Aceros bajos en carbono (C<0.2%) Aceros medios en carbono (0.2%<C<0.5%) Poca resistencia, mucha ductilidad (body panels in cars) Más resitentes, menos dúctiles (ejes, engranajes) Aceros de alto carbono (0.6%<C<0.95%) Alta resistencia, baja ductilidad (muelles, matrices, cuchillas) 4

3 1.1. Aceros al carbono Aceros al carbono 6

4 1.1. Aceros al carbono 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) Tratamientos térmicos 8

5 1.2. Aceros aleados Aceros aleados 10

6 1.2. Aceros aleados Aceros aleados 12

7 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% % 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 Aceros inoxidables 14

8 1.3. Aceros inoxidables Aceros inoxidables 16

9 1.4. Fundiciones 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 Fundiciones 18

10 1.4. Fundiciones Aleaciones de aluminio 20

11 2.1. Aleaciones de aluminio Aleaciones de aluminio 22

12 2.1. Aleaciones de aluminio Aleaciones de Mg, Ti, Ni 24

13 2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni Aleaciones de Mg, Ti, Ni Mg alloy EZ33A as cast Ni-base super alloy heat treated 26

14 2.4. Aleaciones de cobre Aleaciones de cobre 28

15 2.4. Aleaciones de cobre Aleaciones de cobre 30

16 Materiales para biomedicina Compatibilidad química Resistencia a la corrosión Resistencia mecánica Rigidez adecuada 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. 32

17 3. Polímeros Polímeros amorfos: las moléculas forman una masa completamente enmarañada. Polímeros cristalinos: las moléculas (cadenas) se disponen según un ordenamiento regular. No hay polímeros 100% cristalinos Polímeros amorfos Polímeros cristalinos T g (temperatura de transición vítrea) T g y T m (temperatura de fusión) T < Tg T > Tg Parte amorfa Parte cristalina Duros y frágiles Blandos y flexibles Polímeros Valores de T g y T m en polímeros comunes 34

18 3. Polímeros Polímeros Sintéticos TERMOPLASTICOS TERMOESTABLES Commodity plastics Engineering Elastomeros PE Polietileno PA poliamidas Fenólicos PP Polipropileno Poliésteres Resinas amínicas PVC Policloruro de vinilo Policarbonato Poliésteres PS Poliestireno Polímeros acrílicos Epoxídicas Polímeros fluorados Poliuretanos Siliconas Polímeros. Polietileno (PE) -(CH 2 -CH 2 ) n - 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. 36

19 3. Polímeros Tipos de PE 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= 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 Polímeros. PE 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... 38

20 3. Polímeros. Policloruro de vinilo (PVC) 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. CH 2 CH Cl n 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 Polímeros. Policloruro de vinilo (PVC) 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. 40

21 3. Polímeros. Polipropileno PP 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 CH 2 CH CH 3 n 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 Polímeros. Poliestireno (PS) CH 2 CH Propiedades n 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, 42

22 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. ; 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 CO 2, aceptable barrera a O 2 y humedad. Totalmente reciclable 44

23 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, 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, Química/biología: Catalizadores, prótesis, 46

24 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 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 Matrices de extrusión para metales 48

25 4. Materiales cerámicos. SiC Material estructural para altas temperaturas Alta resistencia a altas temperaturas Abrasivos Resitente a la corrosión y oxidación Baja tenacidad Propiedades 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 50

26 4. Materiales cerámicos. Al 2 O 3 Comercialemente, uno de los cerámicos más usados Aislante eléctrico Duro Biocompatible Resistente a la abrasión Propiedades Materiales cerámicos. Al 2 O 3 Aplicaciones Bujías Porcelana Herramientas de corte Losetas y ladrillos para aislamiento térmico Crisoles Biomedicina Vidrios 52

27 4. Materiales cerámicos. Aislamiento térmico SiO Materiales cerámicos. Vidrio 54

28 4. Materiales cerámicos. Vidrio Materiales cerámicos. Vidrio templado Vidrio laminado 56

29 4. Materiales cerámicos. Microelectrónica Fuente: Jose A. Maiz- Intel Co. San Sebastián- Diciembre 04 57