ENGINYERIA AERONÀUTICA MATERIALS AEROESPACIALS Guia de l’assignatura ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 1 Crèdits: 7.5 ( 4.5 teoria + 1.5 Aplicació + 1.5 pràctiques) Tipus: Troncal Crèdits ECTS: 6 Coordinador: Miguel Angel Sánchez Soto (m.sanchez-soto@upc.edu), Altres Professors: Silvia Illescas Fernández (silvia.illescas@upc.edu) Departament: Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica Presentació Coneixements previs Es important haver assolit els conceptes i coneixements fonamentals de ciència i tecnologia dels materials. Tanmateix són recomanables coneixements d’elasticitat i resistència dels materials Camps professionals Materials, la seva transformació i selecció. Enginyeria de materials. Càlcul, disseny i simulació de peces. Producció aerospacial en la construcció d’aeronaus. Disseny d’avions i helicòpters i vehicles espacials. Relació amb altres assignatures Aquesta assignatura guarda una relació prèvia amb les assignatures de Elasticitat i Resistència de Materials i de manera especial amb la Ciència i Tecnologia de Materials, ambdues assignatures donen a l’alumne els coneixements de base per poder analitzar i integrar els conceptes que s’expliquen a la assignatura de Materials Aerospacials. Per una altre banda aquesta assignatura proporciona coneixements per posteriorment poder afrontar amb major èxit d’altres assignatures com Materials Compostos, Disseny d’helicòpters i aeronaus diverses, Estructures Aerospacials o Disseny d’avions. Objectius generals Proporcionar al alumne coneixements sobre la estructura, propietats i mètodes de transformació dels materials emprats al sector aerospacial. Comprendre les prestacions tecnològiques, las tècniques d’optimització dels diferents materials i els tractaments i processats necessaris per modificar llurs propietats. Saber seleccionar adequadament els materials i els mètodes de transformació a aplicar d’acord amb la seva futura aplicació. Conèixer els mètodes d’assaig i tècniques d’inspecció i control així com els defectes dels materials i la seva influència en les propietats finals. ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 2 Temari Mòdul 1: Introducció a l’assignatura ( 2 hores) Tema 1: Introducció a l’assignatura (2 hores) Evolució històrica dels materials a la indústria aerospacial. Importància econòmica dels materials. Els materials i llur aplicació aerospacial. Mòdul 2: Materials metàl·lics fèrrics (4 hores) Tema 2: Classificació i propietats dels aliatges fèrrics. (2 hores) Els acers. Obtenció. Tipus d’acers. Diagrama ferro-carboni. Elements d’aliatge i la seva influència. Propietats en funció de la composició. Classificació dels acers. Tema 3: Principals aliatges fèrrics. (2 hores) Constituents microscòpics dels acers. Micrografies. Anàlisis i propietats. Efecte de la mida de gra i la estructura. Aliatges fèrrics per la indústria aerospacial. Mòdul 3: Tractaments tèrmics (6 hores) Tema 4: Tractaments tèrmics màsics (4 hores) Tremp i penetració del tremp. Assaig Jominy. Variables. Tractaments de regeneració, tremp i revingut. Recuits, austempering i martempering. Efecte dels tractaments sobre la microstructura. Tractaments tèrmics de les foses. Transformacions isotèrmiques i amb refredament continu. Corbes S. Problemes. Tema 5: Tractaments tèrmics superficials (2 hores) Tractaments tèrmics superficials. Processos de recobriment. Neteja de superfícies. Protecció. Tractaments tèrmics de materials no metàl·lics. Problemes. Impacte ambiental. Mòdul 4: Materials metàl·lics no fèrrics (6 hores) Tema 6: L’alumini i els seus aliatges (2 hores) Historia i obtenció de l’alumini. Propietats característiques. Principals aliatges de l’alumini. Tractaments tèrmics dels aliatges d’alumini. Aplicacions aerospacials. Tema 7: El Titani i els seus aliatges (1 hora) Historia i obtenció. Propietats característiques. Principals aliatges del Titani. Efecte dels elements aleants. Tractaments tèrmics i el seu efecte. Aplicacions aerospacials. Tema 8: El Magnesi i els seus aliatges (1 hora) Historia i obtenció del magnesi. Propietats característiques. Principals aliatges del magnesi. Soldadura. Aplicacions aerospacials. Tema 9: Altres metalls i aliatges (2 hores) ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 3 El coure i el zenc. El Beril·li, níquel i Cobalt. Metalls refractaris i preciosos. Superaliatges. Mòdul 5: Conformat de metalls (6 hores) Tema 10: Conformat dels metalls per fosa (2 hores) Fosa i emmotllament: Etapes del procés, Descripció del motlle. Escalfament, Refredament i solidificació de metalls i aliatges. Fosa en motlles permanents i no permanents. Problemes. Tema 11: Conformat dels metalls per deformació plàstica (2 hores) Conformat per deformació plàstica. Els mecanismes d'enduriment i reblaniment. Conformació en calent i en fred. Conformat dels aliatges d’alumini, titani i magnesi. Problemes. Tema 12: Conformat de metalls a partir de pols. (2 hores) Pulvimetal·lúrgia. Tipologia de pols. Premsat convencional i sinteritzat. Compactació. Sinterització. Consideracions mediambientals: Impacte ambiental i reciclat. Conformat dels aliatges d’alumini, titani i magnesi. Aplicacions aerospacials. Problemes. Mòdul 6: Materials polimèrics i el seu conformat (8 hores) Tema 13: Materials polimèrics (4 hores) Classificació. Polímers amb matriu termoplàstica i termoestable. Propietats clau i selecció. Polímers per altes prestacions. Materials polimèrics per aplicacions aerospacials. Processos de degradació dels polímers. Reciclatge. Tema 14: Conformat de polímers: Extrusió (1 hora) Extrusió: La màquina. Processos de transport, plastificació i mesclat. Paràmetres i variables. Processos relacionats amb l'extrusió. Defectes. Tema 15: Conformat de polímers: Injecció (2 hores) Injecció: La màquina, el cicle d'injecció. Paràmetres i variables. El motlle. Processos relacionats amb la injecció. Defectes. Consideracions mediambientals: Impacte ambiental i reciclat. Tema 16: Conformat de polímers: Altres processos (1 hora) Processos relacionats amb la injecció. Termoconformat. Emmotllament rotacional. Altres processos. Mòdul 7: Materials ceràmics i el seu conformat (6 hores) Tema 17: Materials ceràmics (4 hores) Classificació. El vidre. Vidres-ceràmics Ceràmiques estructurals avançades. Carburs i nitrurs. Recobriments. Barreres tèrmiques. PVD, CVD. Aplicacions potencials. Consideracions tribològiques. Tema 18: Conformat dels materials ceràmics (2 hores) Matèries primeres: Preparació. El vidre. Generalitats i preparació. Ceràmiques tècniques. Processos convencionals de conformat de ceràmics. Altres processos de conformat per ceràmiques d’altes propietats. Assecat i cocció. Defectes. Consideracions mediambientals. ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 4 Mòdul 8: Materials compostos i el seu conformat ( 6 hores) Tema 19: Materials compostos (3 hores) Components d'un material compost. Matrius, reforços i interfície. Classificació dels materials compostos. Efectes del tipus, forma i contingut del reforç. Partícules i fibres. Adhesió matriureforç. Propietats mecàniques, tèrmiques i químiques. Nanocompòsits. Fonaments i aplicacions. Tema 20: Conformat de materials compostos (3 hores) Materials compostos amb matriu metàl·lica, metall-metall i cermets. Materials compostos amb matriu ceràmica. Processos especials de conformat. Aplicacions. Materials compostos amb matriu polimèrica. Consideracions mediambientals: Impacte ambiental i reciclat. Anàlisi de fallades. Defectes. Mòdul 9: Comportament en servei. (16 hores) Tema 21: Tècniques d'unió. (3 hores) Soldadura de metalls: Característiques, aspectes metal·lúrgics i defectes. Processos de soldadura de materials metàl·lics. Tècniques d'unió de materials plàstics: unions soldades i d'interferència. Tema 22: Fluència, fatiga i fractura. (4 hores) Fluència en materials metàl·lics, ceràmics, polímers i compostos. Corbes i assaig de fluència. Fatiga, alts i baixos cicles, corba S-N. Mecanismes que afecten la fatiga. Corrosió-fatiga. Caracterització mecànica. Aspectes microestructurals. Fractura. Tipologies de fractura. Introducció a la mecànica de la fractura. Problemes. Tema 23: Corrosió i protecció. (2 hores) Corrosió en metalls: Tipus de corrosió, corrosió humida i seca. morfologia dels atacs. Resistència química en polímers. Tensofisuració. Corrosió en ceràmics. Consideracions mediambientals: Impacte ambiental i reciclat. Tema 24: Defectologia: Inspecció i assajos. (2 hores) Introducció a l'anàlisi de defectes. Assajos destructius i no destructius. Determinació de defectes superficials i anàlisi de defectes interns. Tècniques d’inspecció per líquids, partícules i ultrasons. Problemes. Tema 25: Tribologia: fricció i desgast. (2 hores) Interacció de sòlids. Efecte de la rugositat, pressió i temperatura. Coeficient de fricció. Desgast adhesiu, abrasiu, per fatiga i corrosió. Prevenció del desgast. (1 hora) Tema 26: Estudi de casos reals. (3 hores) ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 5 Estudis de fallades de materials en casos reals. Anàlisi forense i propostes de solucions i millores. Objectius específics dels mòduls Mòdul 1: Introducció a l’assignatura Objectius de l’alumne Reconèixer la importància del desenvolupament de nous materials en l’avenç de la indústria aerospacial. Mòdul 2: Materials metàl·lics fèrrics. En aquest mòdul s’estudien amb detall una gran varietat de metalls emprats en aplicacions d’enginyeria i en particular tots aquells metalls i aliatges que contenen ferro. Es descriuen i s’enumeren les propietats fonamentals que caracteritzen a aquestes aliatges. Igualment s’analitzen les microestructures deduint les propietats que es deriven. Objectius de l’alumne 1) Reconèixer els aliatges fèrrics, les seves propietats i aplicacions dins l’enginyeria aeronàutica. 2) Avaluar i comparar les propietats dels aliatges fèrrics i seleccionar el mes adient per una determinada aplicació Mòdul 3: Tractaments tèrmics. En aquest mòdul s’analitzen els processos que permeten alterar les prestacions d'un determinat material o peça mitjançant tractament tèrmic. Aquests processos són inherents a la fabricació de les peces i, per tant, és molt important saber valorar el canvi de propietats que pot tenir lloc. S’analitzen les transformacions microestructurals que es produeixen durant el tractament tèrmic o superficial i la manera en què aquesta transformació afecta a les propietats. Incidir en els aspectes de condicionament de superfícies per lluitar contra els fenòmens de desgast, fatiga i corrosió. Objectius de l’alumne 1) Distingir entre els diferents tipus de tractaments tèrmics. 2) Reconèixer les microestructures que aquests generen i les propietats que resulten. 3) Discutir els processos d'alteració superficial i la seva importància o necessitat en relació amb l'aplicació final de la peça o l'ambient de treball de la mateixa. 4) Seleccionar i dissenyar un tractament tèrmic donats un determinat material i utilització. Mòdul 4: Materials metàl·lics no fèrrics En aquest mòdul s’estudien amb detall els metalls i aliatges de caràcter no fèrric que tenen aplicació en enginyeria aeronàutica. Es descriuen i s’enumeren les propietats fonamentals que caracteritzen a ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 6 aquestes aliatges. Tanmateix s’analitzen les microestructures per justificar les propietats físicoquímiques que se’n deriven. Objectius de l’alumne 1) Reconèixer els metalls i aliatges no fèrrics, les seves propietats i aplicacions dins l’enginyeria aeronàutica. 2) Avaluar i comparar les propietats dels metalls i aliatges lleugers i seleccionar el mes adient per una determinada aplicació. 3) Distingir les microestructures. Mòdul 5: Conformat de metalls Dins d’aquest mòdul es descriuen els processos tècnics que permeten donar forma als materials metàl·lics. S’estudien els aspectes bàsics de la transformació i conformació de metalls relacionant les estructures i propietats dels mateixos amb els mètodes de manufactura existents. Tanmateix s’estudien els principals defectes associats a la transformació i la manera en què es poden evitar. Objectius de l’alumne 1) Saber aplicar el mètode o mètodes de transformació més adequat en funció de la tipologia i característiques de la peça a fabricar. 2) Seleccionar el mètode de transformació d’acord amb la forma final del component. 3) Relacionar els productes amb els mètodes de fabricació. 4) Distingir els principals defectes associats al conformat de materials. Mòdul 6: Materials polimèrics i el seu conformat S’estudien els aspectes bàsics de la transformació i conformat dels materials polimèrics relacionant les estructures i propietats dels mateixos amb els mètodes de manufactura existents. Igualment s’analitzen els nous desenvolupaments i les aplicacions de les polímers tècniques dins de l’àmbit aerospacial. Objectius de l’alumne 1) Reconèixer les famílies de materials polimèrics i les seves aplicacions dins l’enginyeria aeronàutica. 2) Avaluar i comparar les propietats dels materials i seleccionar el mes adient per una determinada aplicació 3) Seleccionar el mètode o mètodes de transformació més adequat en funció de la tipologia i característiques de la peça a fabricar. 4) Distingir els principals defectes associats a la transformació i la manera en què es poden evitar. Mòdul 7: Materials ceràmics i el seu conformat ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 7 S’estudien els aspectes bàsics de la transformació i conformat dels materials ceràmics relacionant les estructures i propietats dels mateixos amb els mètodes de manufactura existents. També s’analitzen els nous desenvolupaments i les aplicacions de les ceràmiques tècniques dins de l’àmbit aeroespacial. Objectius de l’alumne 1) Reconèixer les famílies de materials ceràmics i les seves aplicacions dins l’enginyeria aeronàutica. 2) Avaluar i comparar les propietats dels materials i seleccionar el mes adient per una determinada aplicació 3) Seleccionar el mètode o mètodes de transformació més adequat en funció de la tipologia i característiques de la peça a fabricar. 4) Distingir els principals defectes associats a la transformació i la manera en què es poden evitar. Mòdul 8: Materials compostos i el seu conformat S’estudien els aspectes bàsics de la transformació i conformat dels materials compostos relacionant les estructures i propietats dels mateixos amb els mètodes de manufactura existents. Tanmateix es descriuen els components dels materials compostos i la seva aplicació en l’àmbit aeroespacial. Objectius de l’alumne 1) Seleccionar el mètode o mètodes de transformació més adequat en funció de la tipologia i característiques de la peça a fabricar. 2) Distingir els principals defectes associats a la transformació i la manera en què es poden evitar. Mòdul 9: Comportament en servei En aquest mòdul es descriuen els aspectes de l'entorn de treball dels materials i la manera en què aquest altera la durabilitat i el comportament en servei dels components. Partint d'aquests coneixements s'estudien els mètodes i tecnologies que permeten establir el temps en que una estructura o component falla. Tanmateix s’estudien els medis de que es disposen per retardar la fallada dels materials. Objectius de l’alumne 1) 2) 3) 4) Analitzar els fenòmens que afecten els materials durant la seva vida en servei. Reconèixer les variables fonamentals de les formes d'alteració dels materials Avaluar els aspectes microestructurals que condueix a dany o fractura Identificar els modes i mecanismes de fallada i deduir la importància dels mateixos. Justificar la possible fallada a partir de l'estudi forense de les peces 5) Seleccionar el mode o modes de protecció més adequats. ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 8 Metodologia de treball Al llarg de l’assignatura es combinen els tres tipus de classes: Teòriques, d’aplicació o problemes i pràctics. Tanmateix és un objectiu el fomentar el treball en grups, de forma que durant el curs es plantejaran activitats a resoldre en conjunt. Durant les classes el professor a més d'emprar la pissarra farà ús de les fonts didàctiques interactives com a recursos d’Internet o projeccions d’ordinador. També s’intentarà fomentar l'autoaprenentatge de l’alumne a través de programes de simulació, recerques d’informació bibliogràfiques etc. A més a més, les classes s’il·lustraran amb nombrosos exemples de peces reals corresponents a diversos materials i processos de transformació. Amb elles es vol donar a l’alumne una visió més pràctica i entenedora dels materials aeroespacials. Sessions teoria, problemes L’objectiu fonamental de les classes teòriques és que els alumnes adquireixin els coneixements fonamentals de l’assignatura que després utilitzaran a les classes de problemes i laboratori. Les classes de teoria constitueixen el nucli central docent. La tècnica que segueix el professor és expositiva però amb un gran contingut de participació dels alumnes. Les classes de problemes constitueixen el complement de les classes teòriques i permeten a l’estudiant desenvolupar la capacitat crítica i la pràctica per resoldre de forma autònoma altres problemes. En aquestes sessions es proposarà als alumnes un projecte o problema que reculli tant com sigui possible la complexitat de l’assignatura i la connexió d’aquesta amb l’activitat professional. Es fomentarà en la major mesura la resolució cooperativa. Treball de materials amb aplicació aeronàutica. Els alumnes presentaran els treballs que de forma individual o en grup han realitzat al llarg del curs. La presentació es realitzarà de manera oral, valorant tant l’exposició com la resposta a les preguntes formulades. Pràctiques, laboratoris La realització de les pràctiques i del treball de pràctiques es considera condició necessària per a la superació de l’assignatura. Pràctica 1: Metal·lografia d’aliatges 1 En aquesta pràctica s’analitzaran els aspectes fonamentals de microestructures representatives dels principals aliatges. Es revisaran els principals conceptes metal·lúrgics i es proposaran exemples singulars de microestructures que els alumnes hauran d’identificar relacionant-los amb les propietats resultants. Pràctica 2: Metal·lografia d’aliatges 2 Utilitzant tècniques de microscòpia òptica i electrònica s’observarà la microestructura de diferents mostres de metalls amb diferents tipus de processat analitzant els aspectes morfològics més destacats. Tanmateix, donats certs diagrames de fases i les microstructures resultants, els alumnes hauran de deduir el procés que ha sofert l’aliatge relacionant les fases observades amb el tractament tèrmic sofert per la peça i deduint les propietats finals. ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 9 Pràctica 3: Tractaments tèrmics En aquesta pràctica es veurà l'efecte que diferents tractaments tèrmics senzills tenen sobre la microestructura i les propietats, fonamentalment mecàniques dels materials. Per a això es partirà de provetes metàl·liques que es veuran sotmeses a diferents tractaments tèrmics avaluant i comparant la microestructura i les propietats de les peces abans i després del procés. Pràctica 4: Injecció de plàstic. En aquesta pràctica els alumnes conformaran peces de plàstic pel mètode d’injecció amb una màquina de tipus comercial. Tanmateix s’analitzarà l’efecte de les principals variables del procés com la pressió d’injecció, les temperatures o la velocitat sobre la qualitat final de les peces. Pràctica 5: Determinació de la tenacitat a fractura d’un material ceràmic Sobre peces de diferents materials ceràmics diferents s’aplicaran indentacions amb penetrador Vickers a diferents nivells de càrrega. Es mesuraran les fissures provocades per les indentacions, així com las dimensions de les empremtes Vickers. A partir dels valors mesurats s’aplicarà el mètode de la microfractura d’indentació per a estimar la tenacitat de fractura dels materials assajats. Pràctica 6: Visita a una empresa del sector Es realitzarà una visita a una empresa relacionada amb els tractaments de material i llur aplicació posterior al sector aeronàutic. Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant Mòdul 1: Introducció a l’assignatura Temps de classe 2 hores Temps d’estudi 1 hora Temps total 3 Mòdul 2: Materials metàl·lics fèrrics 4 hores 4 hores 8 Mòdul 3:Tractaments tèrmics Mòdul 4: Materials metàl·lics no fèrrics Mòdul 5: Conformat de metalls Mòdul 6: Materials polimèrics i el seu conformat Mòdul 7: Materials ceràmics i el seu conformat Mòdul 8: Materials compostos i el seu conformat Mòdul 9: Comportament en servei. Pràctiques 1-5 Pràctica 6 6 hores 6 hores 6 hores 8 hores 6 hores 6 hores 16 hores 10 hores 5 hores 75 hores 8 hores 6 hores 5 hores 6 hores 6 hores 6 hores 18 hores 4 hores 11 hores 75 hores 14 12 11 14 12 12 34 14 16 150 hores Mòdul Temps Total Materials Bibliografia bàsica Meetham, G.W., Van de Voorde, M.H. Materials for High Temperature Engineering Applications. Ed. Springer. 2000 ENGINYERIA AERONÀUTICA 30025 Materials Aeroespacials. Guia de l’assignatura Aprovada en C.A.A. de data 7/06/06 Modificada en CAA de data 16/07/07 Modificada en CAA de data 27/06/08 Modificada en CAA de data 1/06/2011 10 Wessel James K. The Handbook of Advanced Materials: Enabling New Designs. Ed. John Wiley & Sons. 2004. Kohl Walter. Handbok of materials and techniques for vacuum devices. Ed. Springer. 1995 J. Apraiz Barrero. Tratamientos térmicos de los aceros. Ed. Limusa Noriega (2000). Bibliografia complementària F.J. Gil y otros. Aleaciones ligeras. Edicions UPC (2001) MJ Anglada y otros. Fractura de materiales. Edicions UPC (2002) Assender H., Grant P. Aerospace materials. Institute of Physics Publishing. Oxford-Kobe. Bristol (2001) Avaluació L’avaluació de l’assignatura s’obté a partir de les dues proves parcials i de les notes obtingudes en els problemes i/o test parcials que es platejaran a les classes i en el treball de materials. Les proves es faran a les dates previstes en el Calendari Acadèmic de l’Escola. La nota final de l’assignatura es calcularà segons: N f = 0.4 N1p + 0.4 N2p + 0.2 Napl on Napl s’obté sumant un 40 % de la nota de práctiques (Npr) , un 40% de la nota del treball (Ntr ) i un 20% de la nota de exercicis proposats( Nex) Nf : Nota final N1p : Nota 1r parcial N2p : Nota 2on parcial Napl: Nota aplicació i laboratori Npr: Nota pràctiques Ntr : Nota treball i exposició Nex : Nota exercicis i problemes de classe