Capítulo 1 Introducción

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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

2 1 Ingeniería de materiales (1/1) Función Material Propiedades Proceso 2 Familias de materiales Familias generales de materiales (1/9) Polímeros Composites Metales Cerámicas

3 2 Familias de materiales Metales (2/9) Átomos unidos por una nube electrónica (enlace metálico) Alta conductividad térmica y eléctrica Densidad relativamente alta Materiales muy tenaces 2 Familias de materiales Metales (3/9) Wolframio (W) Cobre (Cu) Acero (Fe+C)

4 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 2 Familias de materiales Polímeros (5/9) Caucho Poliuretano Kevlar

5 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 Cerámicas (7/9) Grafito (C) Porcelana Zirconia (ZrO 2 )

6 2 Familias de materiales Composites (8/9) Obtenidos mezclando materiales de distintas familias Propiedades a medida Varios tipos de refuerzo Partículas Fibras cortas Fibras largas 2 Familias de materiales Composites (9/9) Partículas Metal+Cerámica (Co+Diamante) Fibra corta Cerámica+Cerámica (Escayola+Fibra vidrio) Fibra larga Polímero+Cerámica (Epoxi+Carbono)

7 Materiales en sistemas complejos Materiales en sistemas complejos ILD Cu ES

8 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] 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

9 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 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

10 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

11 (1/30) Material en bruto P.C. primarios Colada Moldeo a presión Deformación Plástica Pulvimetalurgia Métodos Especiales Mecanizado Tratamientos térmicos Acabados (2/30) 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

12 (3/30) 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 (4/30) Colada en arena Aluminio (Al) Carcasa motor Oro (Au) Lingotes

13 (5/30) 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 (6/30) Moldeo rotativo o rotomoldeo Polietileno Contenedores Polietileno Juguetes Polietileno Depósitos

14 (7/30) 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 (8/30) Colada a la cera perdida Bronce (Cu+Pb) Arte Acero (Fe+C) Radiador

15 (9/30) 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 (10/30) 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

16 (11/30) Moldeo por inyección Policarbonato Vasos ABS Carcasas móviles (12/30) 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

17 4 Shaping processes (13/30) Moldeo a presión Zamac (Zn+Al+Mg+Cu) Medallas y llaveros Accesorios fontanería (14/30) 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

18 (15/30) Soplado PET Botellas de leche Vidrio Botellas y tarros (16/30) 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

19 Deformación plástica Se parte del material en estado sólido El material comprime o estira hasta adquirir la forma deseada (17/30) 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 > T (18/30) 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

20 Laminación (19/30) Papel de aluminio (Al) Viga de acero (Fe+C) (20/30) 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

21 (21/30) Forja Cobre (Cu) Conexiones eléctricas Acero (Fe+C) Llaves fijas (22/30) 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

22 (23/30) Extrusión Aluminio (Al) Usos diversos Cobre (Cu) Disipador térmico (24/30) 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

23 (25/30) Embutición Aluminio (Al) Lata de refresco Inoxidable (Fe+Cr+Ni) Fregadero (26/30) 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

24 (27/30) 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 (28/30) Prensado-Sinterizado Niquel (Ni) Rotor inyección Alúmina (Al 2 O 3 ) Turbinas

25 (29/30) Métodos especiales: Laminado manual (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 (30/30) Laminado manual Fibra vidrio + Poliester Piscina Fibra vidrio + Poliester Yate

26 5 Evolución y aspectos económicos Evolución de la importancia de los materiales (1/8) 5 Evolución y aspectos económicos Fecha de introducción materiales conocidos (2/8) 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

27 5 Evolución y aspectos económicos (3/8) Producción anual de materiales comunes 5 Evolución y aspectos económicos (4/8) Disponibilidad de materiales en la tierra Fe Ca Al Na K Mn Si O O Si Al Fe Ca Na K Mn Corteza (3x10 21 kg) Cl Na H O O H Cl Na O Ar N N O Ar Océanos (1x10 20 kg) Atmósfera (5x10 18 kg)

28 5 Evolución y aspectos económicos Ejemplos del coste producción y conformado (5/8) 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 (6/8) Coste de producción = C C + n C& l + n& Siendo: C total coste unitario total C M coste del material por pieza C eq coste del equipo C total C& l coste laboral por unidad de tiempo n número de piezas a producir n& productividad (piezas/tiempo) M eq

29 5 Evolución y aspectos económicos (7/8) Ejemplo del coste de producción C total Ceq C& l = CM + + n n& 5 Evolución y aspectos económicos (8/8) Precio material base y producto acabado