Tema 8 Materiales para ingeniería

Tema 8
Materiales para ingeniería
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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
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1. Aleaciones férreas
1.1. Aceros al carbono
1.2. Aceros aleados
1.3. Fundiciones
1.4. Aceros inoxidables
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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%)
Poca resistencia, mucha
ductilidad
(body panels in cars)
Aceros medios en carbono
Más resitentes, menos dúctiles
(0.2%<C<0.5%)
(ejes, engranajes)
Aceros de alto carbono
Alta resistencia, baja
ductilidad
(0.6%<C<0.95%)
(muelles, matrices, cuchillas)
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1.1. Aceros al carbono
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1.1.Aceros al carbono
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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1.1. Aceros al carbono
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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)
•Tratamientos térmicos
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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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1.2. Aceros aleados
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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1.2. Aceros aleados
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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1.3. 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
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1.3. Aceros inoxidables
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1.3. Aceros inoxidables
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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1.3. Aceros inoxidables
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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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.
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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1.4. Fundiciones
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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
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
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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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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Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni
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2.3. Aleaciones de Mg, Ti, Ni
Mg alloy EZ33A – as cast
Ni-base super alloy – heat treated
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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2.4. Aleaciones de cobre
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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
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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Materiales para biomedicina
•
•
•
•
Compatibilidad química
Resistencia a la corrosión
Resistencia mecánica
Rigidez adecuada
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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.
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3. Polímeros
Polímeros amorfos:
amorfos las moléculas forman
una masa completamente enmarañada.
Polímeros cristalinos:
cristalinos las moléculas
(cadenas) se disponen según un
ordenamiento regular.
No hay polímeros 100% cristalinos
Polímeros amorfos
Polímeros cristalinos
Tg (temperatura de transición vítrea)
Tg y Tm (temperatura de fusión)
Parte amorfa
T < Tg
T > Tg
Parte cristalina
Duros y frágiles
Blandos y flexibles
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3. Polímeros
Valores de Tg y Tm en polímeros comunes
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3. Polímeros
Polímeros
Sintéticos
TERMOPLASTICOS
Commodity plastics
Engineering
PE Polietileno
PA poliamidas
PP Polipropileno
Poliésteres
PVC Policloruro de vinilo
Policarbonato
PS Poliestireno
Polímeros acrílicos
Polímeros fluorados
TERMOESTABLES
Elastomeros
Fenólicos
Resinas amínicas
Poliésteres
Epoxídicas
Poliuretanos
Siliconas
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3. Polímeros. Polietileno (PE)
- (CH2-CH2)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.
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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= 0.92-0.94 g/cm3
„
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/cm3
„ Presenta la desventaja de fragilidad frente al LDPE
„
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3. 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...
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3. Polímeros. Policloruro de vinilo (PVC)
Propiedades PVC rígido
• Resistente a la llama
 CH2  CH
• Buena resistencia al agua
Cl
n
• 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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3. 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.
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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
 CH2  CH
n
CH3
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
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3. Polímeros. Poliestireno (PS)
 CH2  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,
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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. CO2)
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. ;
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3. Polímeros. Poliesteres (PET y PBT)
Polietileno tereftalato PET
Tipos
– A-PET (amorfo): transparente, Tmolde<40º
– C-PET(semicristalino): opaco, mejores propiedades, Tmolde<140º
– Tuso C>Tuso 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 O2 y humedad.
•Totalmente reciclable
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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,…
Química/biología: Catalizadores, prótesis,…
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4. Materiales cerámicos. Si3N4
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. Si3N4
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
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4. Materiales cerámicos. SiC
Material estructural para altas temperaturas
•
•
•
•
Alta resistencia a altas temperaturas
Abrasivos
Resitente a la corrosión y oxidación
Baja tenacidad
Propiedades
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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
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4. Materiales cerámicos. Al2O3
Comercialemente, uno de los cerámicos más usados
•
•
•
•
Aislante eléctrico
Duro
Biocompatible
Resistente a la abrasión
Propiedades
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4. Materiales cerámicos. Al2O3
Aplicaciones
• Bujías
• Porcelana
• Herramientas de corte
• Losetas y ladrillos para aislamiento térmico
• Crisoles
• Biomedicina
• Vidrios
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4. Materiales cerámicos. Aislamiento térmico
SiO2
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4. Materiales cerámicos. Vidrio
Source: Foundations of Materials Science and Engineering. Smith&Hashemi. McGraw-Hill Ed.
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4. Materiales cerámicos. Vidrio
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4. Materiales cerámicos. Vidrio templado
Vidrio laminado
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4. Materiales cerámicos. Microelectrónica
Fuente: Jose A. Maiz- Intel Co. – San Sebastián- Diciembre 04
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