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1 Capítulo 1 Introducción TEMA 1: Introducción 1. Ingeniería de materiales 2. Familias de materiales 3. Propiedades 4. Procesos de conformado 5. Evolución y aspectos económicos TEMA 1: Introducción 1. Ingeniería de materiales 2. Familias de materiales 3. Propiedades 4. Procesos de conformado 5. Evolución y aspectos económicos

2 1 Ingeniería de materiales (1/1) Función Material Propiedades Proceso TEMA 1: Introducción 1. Ingeniería de materiales 2. Familias de materiales 3. Propiedades 4. Procesos de conformado 5. Evolución y aspectos económicos 2 Familias de materiales (1/9) Familias generales de materiales Polímeros Composites Metales Cerámicas

3 2 Familias de materiales (2/9) Metales Átomos unidos por una nube electrónica (enlace metálico) Alta conductividad térmica y eléctrica Densidad relativamente alta Materiales muy tenaces 2 Familias de materiales (3/9) Metales Wolframio (W) Cobre (Cu) Acero (Fe+C) 2 Familias de materiales (4/9) Polímeros Formados por la unión de pequeñas moléculas orgánicas (monómeros) entre sí Dichos grupos son unidos individualmente mediante enlaces covalentes Baja densidad Baja temperatura de fusión

4 2 Familias de materiales (5/9) Polímeros Caucho Poliuretano Kevlar 2 Familias de materiales (6/9) Cerámicas Materiales no orgánicos ni metálicos Generalmente son óxidos o carburos Muy baja conductividad eléctrica Densidad relativamente baja Materiales muy frágiles 2 Familias de materiales (7/9) Cerámicas Grafito (C) Porcelana Zirconia (ZrO 2 )

5 2 Familias de materiales (8/9) Composites Obtenidos mezclando materiales de distintas familias Propiedades a medida Varios tipos de refuerzo Partículas Fibras cortas Fibras largas 2 Familias de materiales (9/9) Composites Partículas Metal+Cerámica (Co+Diamante) Fibra corta Cerámica+Cerámica (Escayola+Fibra vidrio) Fibra larga Polímero+Cerámica (Epoxi+Carbono) TEMA 1: Introducción 1. Ingeniería de materiales 2. Familias de materiales 3. Propiedades 4. Procesos de conformado 5. Evolución y aspectos económicos

6 3 Propiedades (1/6) CLASE PROPIEDAD SIMBOLO UNIDADES General Coste C m [ /kg] Densidad ρ [kg/m 3 ] Mecánica Módulo elástico E [GPa] Resistencia (fluencia, fractura) σ y, σ f [MPa] Tenacidad K Ic [MPa m 1/2 ] Amortiguamiento η [-] Umbral de fatiga σ e [MPa] Térmica Conductividad térmica λ [W/mK] Difusividad térmica a [m 2 /s] Calor específico C p [J/kg K] Temperatura de fusión T m [K] Temperatura de transición vítrea T g [K] Coeficiente de expansión α [K -1 ] Desgaste Constante Archard de abrasión k A [MPa -1 ] Corrosión Velocidad de corrosión K [mm/año] 3 Propiedades (2/6) Densidad Simbolo: ρ Unidades: kg/m 3 Relación entre la masa de un material y su volumen 3 Propiedades (3/6) Módulo elástico Simbolo: Ε Unidades: GPa Relación entre la tensión aplicada a un material y la deformación con la que éste responde

7 3 Propiedades (4/6) Tensión de fluencia Simbolo: σ y Unidades: MPa Tensión a partir de la cual un material no es capaz de recuperar su forma inicial 3 Propiedades (5/6) Tenacidad Simbolo: K Ic Unidades: MPa m 1/2 Resistencia de un material a propagar grietas 3 Propiedades (6/6) Temperatura de fusión Simbolo: T m Unidades: K (Kelvin) Temperatura a la cual un sólido comienza a licuarse

8 TEMA 1: Introducción 1. Ingeniería de materiales 2. Familias de materiales 3. Propiedades 4. Procesos de conformado 5. Evolución y aspectos económicos (1/33) Material en bruto P.C. primarios Colada Moldeo a presión Deformación Plástica Pulvimetalurgia Métodos Especiales Mecanizado Tratamientos térmicos Acabados (2/33) Métodos de colada Se parte del material en estado líquido El material se vierte en un molde Al solidificar el material este adquiere la forma del molde Metales solidifican por enfriamiento Polímeros solidifican por polimerización Cerámicas solidifican por reacción

9 (3/33) Colada en arena (Empleada para metales) Rango de pesos [Kg] 0,3~1000 Espesor mínimo [mm] 5~100 Complejidad de forma Med/Alta Tolerancias [mm] 1~3 Rugosidad [µm] 12~25 Rentabilidad 1~1000k (4/33) Colada en arena Aluminio (Al) Carcasa motor Oro (Au) Lingotes (5/33) Moldeo rotativo o rotomoldeo (Empleado para polímeros) Rango de pesos [Kg] 0,1~50 Espesor mínimo [mm] 2,5~6 Complejidad de forma Baja Tolerancias [mm] 0,4~1 Rugosidad [µm] 0,5~2 Rentabilidad 100~10k

10 (6/33) Moldeo rotativo o rotomoldeo Polietileno Juguetes Polietileno Contenedores Polietileno Depósitos (7/33) Colada a la cera perdida (Empleado para metales) Rango de pesos [Kg] 0,001~20 Espesor mínimo [mm] 1~30 Complejidad de forma Med/Alta Tolerancias [mm] 0,1~0,4 Rugosidad [µm] 1,6~3,2 Rentabilidad 1~50k (8/33) Colada a la cera perdida Bronce (Cu+Pb) Arte Acero (Fe+C) Radiador

11 (9/33) Moldeo a presión Material en estado semi-sólido Introducción del material en el molde a presión hasta el llenado completo del mismo Al solidificar el material este adquiere la forma del molde (10/33) Moldeo por inyección (Empleado para polímeros y composites) Rango de pesos [Kg] 0,01~25 Espesor mínimo [mm] 0,3~10 Complejidad de forma Alta Tolerancias [mm] 0,05~1 Rugosidad [µm] 0,2~1,6 Rentabilidad 10k~1000k (11/33) Moldeo por inyección Policarbonato Vasos ABS Carcasas móviles

12 (12/33) Moldeo a presión (Empleada para metales) Rango de pesos [Kg] 0,05~20 Espesor mínimo [mm] 1~8 Complejidad de forma Med/Alta Tolerancias [mm] 0,15~0,5 Rugosidad [µm] 0,5~1,6 Rentabilidad 5k~1000k (13/33) Moldeo a presión Zamac (Zn+Al+Mg+Cu) Medallas y llaveros (14/33) Soplado (Empleada para polímeros y vidrios) Rango de pesos [Kg] 0,001~0,3 Espesor mínimo [mm] 0,4~3 Complejidad de forma Baja Tolerancias [mm] 0,25~1 Rugosidad [µm] 0,2~1,6 Rentabilidad 1k~10000k

13 (15/33) Soplado PET Botellas de leche Vidrio Botellas y tarros (16/33) Moldeo por compresión (Empleada para polímeros) Rango de pesos [Kg] 0,2~20 Espesor mínimo [mm] 1,5~25 Complejidad de forma Bajo/Med Tolerancias [mm] 0,1~1 Rugosidad [µm] 0,2~2 Rentabilidad 2k~200k (17/33) Deformación plástica Se parte del material en estado sólido El material comprime o estira hasta adquirir la forma deseada Puede darse a diferentes temperaturas Caliente T > 0.85 T m Tibio 0.85 T m > T > 0.55 T m Frío 0.55 > T m

14 (18/33) Laminación (Empleada para metales) Rango de pesos [Kg] Cont. Espesor mínimo [mm] 2~100 Complejidad de forma Baja Tolerancias [mm] 0,3~2 Rugosidad [µm] 3,2~12,5 Rentabilidad 10k~1000k (19/33) Laminación Aluminio (Al) Rail Acero (Fe+C) Viga (20/33) Forja (Empleada para metales) Rango de pesos [Kg] 0,1~100 Espesor mínimo [mm] 2~100 Complejidad de forma Baja Tolerancias [mm] 0,3~2 Rugosidad [µm] 3,2~12,5 Rentabilidad 10k~1000k

15 (21/33) Forja Cobre (Cu) Conexiones eléctricas Acero (Fe+C) Llaves fijas (22/33) Extrusión (Empleada para metales) Rango de pesos [Kg] 1~1000 Espesor mínimo [mm] 0,1~900 Complejidad de forma Baja Tolerancias [mm] 0,2~2 Rugosidad [µm] 0,5~12,5 Rentabilidad 1k~1000k (23/33) Extrusión Aluminio (Al) Usos diversos Cobre (Cu) Disipador térmico

16 (24/33) Embutición (Empleada para metales) Rango de pesos [Kg] 0,01~30 Espesor mínimo [mm] 0,2~5 Complejidad de forma Media Tolerancias [mm] 0,1~0,8 Rugosidad [µm] 0,5~12,5 Rentabilidad 25k~250k (25/33) Embutición Aluminio (Al) Lata de refresco Inoxidable (Fe+Cr+Ni) Fregadero (26/33) Pulvimetalurgia Se parte del material en estado sólido particulado El material se comprime en un molde o matriz Al calentar el material comprimido las partículas se consolidan formando una pieza sólida

17 (27/33) Prensado-Sinterizado (Empleado para metales y cerámicas) Rango de pesos [Kg] 0,01~5 Espesor mínimo [mm] 1,5~8 Complejidad de forma Bajo/Med Tolerancias [mm] 0,1~1 Rugosidad [µm] 1,6~6,3 Rentabilidad 1k~1000k (28/33) Prensado-Sinterizado Niquel (Ni) Rotor inyección Alúmina (Al 2 O 3 ) Turbinas (29/33) Métodos especiales Métodos específicos para ciertos tipos de materiales o piezas

18 (30/33) Moldeo de espuma expandida (Empleada para polímeros) Rango de pesos [Kg] 0,01~10 Espesor mínimo [mm] 5~100 Complejidad de forma Bajo/Med Tolerancias [mm] 0,5~2 Rugosidad [µm] 50~500 Rentabilidad 2k~1000k (31/33) Moldeo de espuma expandida Espuma de polietileno Embalaje Espuma de polietileno Protección (32/33) Laminado manual (Empleado para composites) Rango de pesos [Kg] 1~6000 Espesor mínimo [mm] 2~10 Complejidad de forma Bajo/Med Tolerancias [mm] 0,6~1 Rugosidad [µm] 1~500 Rentabilidad 1~500

19 (33/33) Laminado manual Fibra vidrio + Poliester Piscina Fibra vidrio + Poliester Piscina TEMA 1: Introducción 1. Ingeniería de materiales 2. Familias de materiales 3. Propiedades 4. Procesos de conformado 5. Evolución y aspectos económicos 5 Evolución y aspectos económicos (1/9) Evolución de la importancia de los materiales

20 5 Evolución y aspectos económicos Fecha de introducción materiales conocidos (2/9) MATERIAL APLICACIÓN AÑO Aluminio (proceso Hall) Material ligero Filamento de Carbón Lámparas eléctricas Wolframio dúctil Filamentos de bombillas Inoxidable 18-8 Acero resistente a corrosión Carburo de Wolframio Herramientas de corte Nylon Fibras, tejidos Composites fibra de vidrio Cañas de pesca, estructuras Polietileno Fibras, láminas, botellas Diamantes industriales Súper-abrasivos Silicio (grado electrónico) Semiconductores Titanio Componentes aeronáuticos Fibras de grafito Fibras de alta resistencia Polipropileno Fibras, botellas Diamante (CVD) Recubrimientos Metales amorfos Núcleos de transformadores Evolución y aspectos económicos (3/9) Producción anual de materiales comunes 5 Evolución y aspectos económicos (4/9) Optimización del material a lo largo del tiempo

21 O H Cl Na O Si Al Fe Ca Na K Mn N O Ar 5 Evolución y aspectos económicos (5/9) Disponibilidad de materiales en la tierra Fe Ca Na K Mn Al Si O Corteza (3x10 21 kg) Cl Na H O O Ar N Océanos (1x10 20 kg) Atmósfera (5x10 18 kg) 5 Evolución y aspectos económicos (6/9) Ejemplos del coste producción y conformado ACERO (1978, UK) Material Precio( /t) Mineral 25 Arrabio 125 Palanquilla 274 Prod. laminado en caliente 352 Prod. laminado en frío 446 Prod. conformado (forma final)1958 Producto final 7800 ALUMINIO (1963, USA) Material Precio( /t) Mineral (Bauxita) 8 Alúmina (Al 2 O 3 ) 75 Lingote Al 450 Semiproducto y piezas de fundición Evolución y aspectos económicos (7/9) Coste de producción Ceq C& l Ctotal = CM + + n n& Siendo: C total coste unitario total C M coste del material por pieza C eq coste del equipo C& l coste laboral por unidad de tiempo n número de piezas a producir n& productividad (piezas/tiempo)

22 5 Evolución y aspectos económicos (8/9) Ejemplo del coste de producción Ceq C& l Ctotal = CM + + n n& 5 Evolución y aspectos económicos (9/9) Precio material base y producto acabado

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