MATERIALES DE INGENIERIA Y SELECCIÓN DE MATERIALES 1.- Tipos de metales Atendiendo a su procedencia, los metales pueden clasificarse en: -ferrosos: cuya componente principal es el hierro. Son el hierro puro, el acero y las fundiciones entre otros. - no ferrosos: materiales que no contienen hierro o que lo contienen en muy pequeñas cantidades.
2.- Propiedades de los metales 2.1.- Propiedades físicas: Mecánicas: Dureza, resistencia mecánica, plasticidad, elasticidad, maleabilidad, tenacidad, ductilidad, etc.
Térmicas: Conductividad térmica, dilatación y contracción, fusibilidad, soldabilidad, etc.
Eléctricas y magnéticas. 2.2.- Propiedades químicas: Oxidación 2.3.- Otras propiedades: Impermeabilidad, buenos conductores acústicos. 3.- Metales ferrosos El hierro se obtiene de la magnetita, el oligisto (sobre todo una de sus variedades, el hematites), la limonita, la pirita y la siderita. Además del hierro puro, se utilizan también las aleaciones. Una aleación es una mezcla de dos o más elementos químicos, al menos uno de los cuales, el que se encuentra en mayor proporción, ha de ser metal . Las aleaciones de hierro se obtienen añadiendo a este metal carbono. Según el porcentaje de dicho elemento tenemos: - Hierro puro: la concentración de carbono se sitúa entre 0,008% y 0 ,03% - Acero: la concentración de carbono se sitúa entre 0,03% y el 1,76% - Fundición: la concentración de carbono se sitúa entre el 1,76% y el 6,67%.
3.1.-El hierro y sus fundiciones El hierro es un metal de color blanco grisáceo que tiene buenas propiedades magnéticas. Se corroe con facilidad, tiene un punto de fusión elevado y es de difícil mecanizado. Resulta frágil y quebradizo. Esto hace que tenga escasas utilidad. Se emplea en componentes eléctricos y electrónicos. Para mejorar sus propiedades mecánicas, el hierro puro se combina con carbono en las proporciones indicadas anteriormente. La fundición presenta una elevada dureza y una gran resistencia al desgaste. Se utiliza para fabricar diversos elementos de maquinaria, carcasas de motores, bancadas de máquinas, farolas, tapas de alcantarilla, etc.
3.2.- El acero Es una aleación del hierro con una pequeña cantidad de carbono. De este modo, se obtienen materiales de elevada dureza y tenacidad y con una mayor resistencia a la tracción. Es decir, se consigue una notable mejoría en las propiedades mecánicas. Además de hierro y carbono, los aceros pueden contener otros elementos químicos, a fin de mejorar o conseguir propiedades específicas. Se obtienen así los aceros aleados. Los metales más empleados para elaborar dichos aceros son los siguientes: Silicio (confiere elasticidad y carácter magnético a la aleación) , manganeso (aporta dureza y resistencia al desgaste), cromo (aumenta la dureza y la resistencia al calor resulta necesario para hacer el acero sea inoxidable), níquel (mejora la resistencia a la tracción y aumenta la tenacidad, además de conferir una mayor resistencia a la corrosión), wolframio (se añade para incrementar la dureza del acero y mejorar su resistencia a la corrosión y el calor), molibdeno, el titanio, el niobio o el vanadio.
4.-Metales no ferrosos Nombre
Cobre (Cu)
Latón
Bronce Alpaca Cuproníquel
Titanio (Ti)
Características
Usos
-Se obtiene a partir de los
Fabricación de cables eléctricos Fabricación de hilos de telefonía Fabricación de bobinas de motores Tuberías, calderas, radiadores. Aplicaciones decorativas y artísticas. etc.,……. Ornamentación decorativa Tuberías, condensadores, turbinas, hélices, etc. Hélices de barco, filtros, campanas, fabricación de engranajes, rodamientos, etc.
minerales CUPRITA, CALCOPIRITA, MALAQUITA. -Alta conductividad eléctrica -Alta conductividad térmica -Maleable y dúctil -Metal blando de color rojizo y brillo intenso. -Se oxida en su superficie, que adquiere, entonces, un color verdoso. -Aleación de cobre y zinc -Resistencia alta a la corrosión -Aleación de cobre y estaño -Elevada ductilidad -Resistente al desgaste y la corrosión -Aleación de cobre, níquel, cinc y estaño -Aleación de cobre y níquel -Se extrae del RUTILO y la ILMENITA -Color blanco plateado -Brillante, ligero, muy duro y resistente.
Orfebrería y bisutería, etc. Utilizados en la fabricación de monedas Industria aeroespacial Fabricación de prótesis medicas Elaboración ce aceros especialmente duros Su brillo hace que resulte adecuado en ciertas estructuras arquitectónicas.
Nombre
Plomo (Pb)
Estaño (Sn)
Cinc (Zn)
Cromo(Cr)
Características
Usos
-Se obtiene de la GALENA
Fabricación de baterías y acumuladores En la industria del vidrio y en óptica se usa como aditivo que proporciona dureza y añade peso Al ser opaco se emplea contra radiaciones en medicina y en las centrales nucleares Se fabrica el papel de estaño, y la hojalata, que es una chapa de acero cuyas caras están recubiertas por sen das películas de estaño. Aleado con plomo se usa como material de unión de soldaduras blandas
-Metal de color gris plateado, muy blando y pesado -Notable maleabilidad y plasticidad -Buen conductor del calor y la electricidad
-Se obtiene de la CASITERITA -Metal de color blanco, brillante, muy blando -Poco dúctil, pero muy maleable -No se oxida a temperatura ambiente -Emite un sonido característico al partirse: « grito de estaño» -Se obtiene de la BLENDA y la CALAMINA -Metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío, y de baja dureza.
-Blanco, brillante, muy duro pero frágil -Resistente a la oxidación
Cubiertas de edificios, cañerías, canalones. Mediante un proceso llamado GALVANIZADO se recubren piezas con una capa de cinc para protegerlas de la corrosión. Aceros inoxidables Aceros para herramientas y objetos decorativos. Cromado de otros metales
Nombre
Aluminio (Al)
Magnesio(Mg)
Características
Usos
-Se obtiene de la BAUXITA -Metal banco, plateado, blando, de baja densidad y gran maleabilidad y ductilidad -Alta resistencia a la corrosión -Alta conductividad térmica y eléctrica -Para mejorar sus propiedades mecánicas se alea con otros metales( Cu, Mg, …) con lo que se obtienen aluminios muy duros y resistentes
Sustituto del cobre en líneas eléctricas de alta tensión Por su baja densidad, en la fabricación de aviones, automóviles y bicicletas. -Carpintería metálica Decoración, bisutería, útiles de cocina, botes de bebida, etc. El aluminio mezclado con bronce de lugar al DURALUMINIO, que presenta alta resistencia a la corrosión, elevada dureza y gran resistencia mecánica. Fabricación de estructuras de aeroplanos, etc. Pirotecnia En combinación con otros metales permite obtener aleaciones muy ligeras, que se emplean en el sector aeronáutico y fabricantes de motos, automóviles, bicicletas, etc. Aceros inoxidables Niquelados de otros metales
-Se obtiene del ASBESTO y la MAGNETITA -Metal de color blanco brillante, similar a la plata, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil
Níquel (Ni)
-Blanco, brillante, tenaz, dúctil, maleable. -Resistente a la corrosión
Nombre
Características
Usos
-Gris, muy duro y pesado -Buena conductivita eléctrica -Alto punto de fusión
Fabricación de filamentos para bombillas incandescentes y de aceros para herramientas Fabricación de termómetros, bombillas y pilas de botón, etc.
Wolframio(W)
Mercurio(Hg)
-Metal líquido plateado y muy brillante, de gran densidad y buen conductor eléctrico y térmico.
Otra forma que tenemos de clasificar a los materiales metálicos no ferrosos es atendiendo a su densidad, es decir, la relación entre la masa del material expresada en kilogramos y el volumen que ocupa, expresado en metros cúbicos. Así, los distinguimos los metales pesados, metales ligeros y metales ultraligeros. Metales pesados: cobre y las aleaciones de éste, es decir, el latón. la alpaca, el cuproníquel y el bronce, el plomo, el estaño y el cinc Metales ligeros y ultraligeros: el aluminio, el titanio y e l magnesio. Veamos las distintas densidades de estos metales
Metal Wolframio Mercurio Plomo Níquel Cobre Hierro
3
Densidad(g/cm ) 19,26 13,55 11,34 9 8,92 7,88
Metal Estaño Cromo Cinc Titanio Aluminio Magnesio
3
Densidad(g/cm ) 7,29 7,19 7,13 4,43 2,7 1,74
POLÍMEROS Definición:
Son macromoléculas (por lo general orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.
La reacción por la cual se sintetizan un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización.
Características y propiedades generales:
Clasificación: a) Por su Origen:
Naturales: el almidón, la celulosa, el hule o caucho natural, la seda, el ADN, la lignina, etc.
Semisintéticos: la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.
Sintéticos: el nylon, polietileno, la baquelita, el poliestireno, el cloruro de polivinilo (PVC), etc.
b) Por su comportamiento al elevar la temperatura: Termoplásticos: fluyen al calentarlos y se vuelven a endurecer al enfriarlos. Traslucidez y estabilidad dimensional. Su estructura molecular posee pocos (o ningún) entrecruzamientos. Tenemos: el polietileno (PE), el polipropileno (PP),
el cloruro de polivinilo (PVC), vinil acetato (EVA), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS).
Termoestables: no fluyen, al calentarlos solo se descomponen químicamente. Poseen una estructura molecular con muchos entrecruzamientos. Tenemos: caucho natural vulcanizado, la baquelita, melamina, resinas insaturadas de poliéster, resina epoxi, poliuretanos, siliconas, etc.
c) Por sus aplicaciones:
Elastómeros: poseen muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad. En cada ciclo de extensión y contracción absorben energía, propiedad denominada resiliencia. Tenemos: el neopreno, caucho butilo, caucho nitrilo, caucho de silicona, ABS, etc.
Plásticos:
Fibras: presentan un elevado módulo de elasticidad y baja extensibilidad.
ante un irreversiblemente.
esfuerzo
suficientemente
intenso
se
deforman
Empleados para confeccionar tejidos.
Recubrimientos: son sustancias normalmente líquidas que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, ejemplo: resistencia a la abrasión.
Adhesivos: son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.
Características particulares
Materiales Cerámicos Definición: Los cerámicos son materiales inorgánicos formados por la combinación de elementos metálicos y no-metálicos unidos por enlaces covalentes e iónicos.
Clasificación:
Cerámicos Tradicionales: Arcillas, Sílice y feldespato Cerámicos Técnicos o Avanzadas: Alúmina, Nitruro de Silicio, Carburo de Silicio y Vidrio.
Propiedades y aplicaciones: Tipo de material
Propiedades
Aplicaciones
Resistencia a la tracción: elevada Rigidez: grande
Base constructiva de edificaciones Para construir vigas sometidas a grandes cargas. En equipos destinados a estudios de medicina que trabajan con campos electromagnéticos se aprovecha su comportamiento como superconductor. Fabricación de herramientas de corte. Construcción de microscopios, lentes y aparatos ópticos en general
Comportamiento eléctrico: a Temperatura ambiente se comportan como aislantes eléctricos pero a Tº inferiores a los -170ºC.Se comportan como superconductores.
CERÁMICOS Dureza: Elevada Comportamiento óptico: algunos cerámicos (vidrios) son transparentes con lo cual permiten el paso (y desviación) de la luz. Comportamiento magnético: no generan ni afectan los campos magnéticos a temperatura ambiente. Comportamiento térmico: son aislantes térmicos por excelencia.
Cuando adquieren el comportamiento como superconductores pueden generar grandes campos electromagnéticos Recubrimientos de hornos, fabricación de partes que funcionan a temperaturas sumamente elevadas.
Nota: La principal desventaja de los materiales cerámicos es que poseen una extrema fragilidad
Materiales Compuestos Definición: Un material compuesto es el resultado de la combinación de dos tipos de materiales: metal-metal, metal-cerámico, metal-polímero, polímero-cerámico, polímero-polímero y cerámico-cerámico. Estos se encuentran en diferente porcentaje, siendo la fase que se encuentra en mayor proporción la matriz o fase continua , mientras que la fase que se de menor proporción se le denomina refuerzo o fase discontinúa.
Clasificación: a) Materiales Compuestos reforzados con partículas: Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil. A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye inversamente con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones. Aplicaciones en herramientas de corte (Cermets).
b) Materiales Compuestos reforzados con fibras: Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, Kevlar, o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster(polímero) que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado. Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama de laminación. Aplicaciones del políester-Kevlar en aeronaves, cascos de barcos, artículos deportivos, chalecos antibalas, etc.
c) Materiales compuestos estructurales: Los compuestos laminares incluyen laminados, recubrimientos más gruesos, metales de revestimiento, bimetales y muchos otros. Son diseñados para mejorar la resistencia a la corrosión y al desgaste, manteniendo el bajo costo. Ejemplo: La madera contrachapada.
SELECCIÓN DE MATERIALES INTRODUCCION Y SINOPSIS: Un material tiene atributos: su densidad, resistencia, el costo, la resistencia a la corrosión, etc. Un diseño demanda un determinado perfil de estos: una baja densidad, alta resistencia, un bajo costo y resistencia al agua salada tal vez. El problema es identificar el perfil de atributos deseado y luego se la compara con las de materiales reales de ingeniería para encontrar la mejor opción. Lo que hacemos, en primer lugar, es la selección y clasificación de los candidatos en una lista, y luego buscar detallada información de apoyo para los candidatos preseleccionados, lo que permite una elección final. Es importante empezar conociendo el menú completo de los materiales, el no hacerlo puede significar una oportunidad perdida. La elección se reduce ampliamente, en primer lugar, mediante la aplicación de límites de la propiedad que filtran a los materiales que no puedan cumplir con los requisitos de diseño. El rendimiento es generalmente limitado no por una sola propiedad, sino por una combinación de ellos. Los mejores materiales para una alta rigidez del tirante son aquellos con el mayor valor de la "rigidez específica"(E/), donde E es el módulo de Young y el ρ densidad. Los mejores materiales para el resorte, con independencia de su forma o la forma en que se carga, son los que tienen el mayor valor de , donde es el esfuerzo de falla. Los materiales de mejor resistencia a choques térmicos son los que tienen el mayor valor de , donde es el coeficiente de expansión térmica; y así sucesivamente. Las combinaciones de este tipo se denominan índices de l material: son las agrupaciones de propiedades del material que, cuando se maximiza, maximizan algún aspecto del desempeño o funcionamiento. Hay muchos de estos índices, estos se derivan de los requisitos de diseño para un componente por un análisis de la función, objetivos y limitaciones. Los límites de las propiedades y los índices del material aíslan el subconjunto de materiales que son la mejor opción para el diseño.
Fig. 5.1 La selección de materiales está determinada por la función. La forma a veces influye.
LA ESTRATEGIA DE SELECCIÓN: Atributos de los materiales La Figura 5.2 ilustra cómo el Reino de los materiales puede ser subdividido en familias, clases, subclases y miembros. Cada miembro se caracteriza por un conjunto de atributos: sus propiedades. Como por ejemplo, el Reino de los materiales contiene la familia "Metales" que a su vez contiene la clase "Aleaciones de aluminio”, la subclase “series 5000”y, finalmente, el miembro en particular" de aleación de 5083 en el calor H2 condición de tratamiento.
Fig. 5.2 La taxonomía del reino de los materiales y sus atributos Este y todos los demás miembros del reino material, se caracteriza por un conjunto de atributos que incluyen sus propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas, su características de procesamiento, su costo y disponibilidad, y las consecuencias ambientales de su uso. A esto le llamamos perfil de propiedades. La selección implica la búsqueda de la mejor relación entre el pefil de propiedades de los materiales y los requerimientos del diseño. Hay dos pasos principales: la selección y clasificación, y el apoyo a la información (Figura 5.3).
Selección y clasificación Selección imparcial exige que todos los materiales son considerados como candidatos hasta que se demuestre lo contrario, siguiendo los pasos detallados en los cuadros de la figura 5.3. El primero de ellos, la selección, elimina los candidatos que no pueden hacer el trabajo en absoluto, porque uno o más de sus atributos se encuentra fuera de los límites impuestos por el diseño. Nos referimos a estos como los límites de las propiedades. Los límites de la propiedad no pueden, sin embargo, ayudar a ordenar a los candidatos que quedan. Para hacer esto, necesitamos de criterios de optimización. Ellos se encuentran en los índices del material, que miden lo bien que un candidato que ha pasado de los límites puede hacer el trabajo. Ejemplos de familias de índices son la rigidez específica y la resistencia específica . Los materiales con los mayores v alores de estos índices son la mejor opción para una alta rigidez de tension o una alto esfuerzo de tension, respectivamente. Hay muchos otros, cada uno asociado a la maximización de algún aspecto del funcionamiento. Que permiten la clasificación de mate riales por su capacidad para desempeñarse bien en la aplicación en cuestión.
Fig. 5.3 La estrategia para la selección de materiales.
Información de apoyo El resultado de la etapa de selección es una lista de candidatos que cumplan los requisitos cuantificables del diseño. Para seguir adelante se busca un perfil detallado de cada uno: su información de apoyo (Figura 5.3). La información de apoyo es muy diferente de los datos de los bienes utilizados para la selección. Por lo general es descriptivo, gráfico o imágenes: estudios de casos de usos anteriores de los materiales, los detalles de su corrosión comportamiento en ambientes particulares, la información de disponibilidad y precios, la experiencia de su impacto ambiental. Dicha información se encuentra en los manuales, las hojas de los proveedores de datos, CD d e datos basado en las fuentes y la Web mundial. La información de apoyo ayuda a reducir la lista a una decisión final.
Condiciones locales La elección final entre los candidatos que compiten a menudo depende de las condiciones locales, de la disponibilidad de los proveedores locales, etc. Un sistemático procedimiento no puede ayudar, aquí la decisión debe estar basada en el conocimiento local. Esto no quiere decir que el resultado del procedimiento sistemático es irrelevante. Siempre es importante saber que material es el mejor , aunque, por razones locales se decide no usarlo.
Obteniendo las propiedades limites y los índices de material Luego de ver cuales son los pasos sistemáticos para la selección de un material, es necesario saber como es que los requerimientos de diseño de un componente se convierten en prescripciones de un material. Para contestar a esto tienen que revisarse la función del componente, las restricciones que este tiene y los objetivos del diseñador para optimizar su funcionamiento.
Función, objetivos y restricciones. Cualquier componente de ingeniería tiene: Función: ¿Qué hace? Objetivos: ¿Qué se quiere maximizar o minimizar? Restricciones: ¿Qué condiciones fijas se deben cumplir? y ¿Qué condiciones variables pero deseables deben cumplirse? La función, el objetivo y las restricciones definen las condiciones de frontera para la selección de un material y (en el caso de un componente sometido a carga) la forma de su sección transversal. El elemento mecánico debe cumplir su función y objetivo, esto debe ser logrado mientras se cumple con las restricciones. El primer paso para relacionar los requerimientos de diseño del elemento con las propiedades del material es tener una visión clara de la función, objetivos y restricciones.
Propiedades limites Algunas restricciones se traducen directamente en los límites de las propiedades de o material. Si un material tiene que operar a 250 C, luego todos los materiales con una temperatura de servicio menor que esta son eliminados. La depuración en el procedimiento ya explicado usa las propiedades límites de este modo para reducir la cantidad de materiales enlistados al inicio. Las restricciones de rigidez, resistencia y otras características son usadas de una manera diferente, esto debido a que pueden ser obtenidas de diferentes maneras, por ejemplo la rigidez puede ser lograda de varias formas como eligiendo un material con una elevado modulo, pero también variando la sección entre otros. Alcanzar una rigidez específica implica un equilibrio de estos, y para resolver esto necesitamos enunciar un objetivo. El resultado de hacerlo es un índice de materiales. Este es clave para seleccionar un material, pero la cuestión es como encontrarlos?.
Índice de material Un índice de material es una combinación de las propiedades de los materiales que caracterizan el comportamiento de un material en una aplicación dada.
El diseño de un elemento estructural es especificado por tres cosas: los reque rimientos funcionales, la geometría y las propiedades del material del cual esta hecho. El comportamiento de un material es descrito por una ecuación de la forma: p = f (Requerimientos funcionales (F), Geometría (G), Propiedades del material (M)) Donde p describe algún aspecto del comportamiento del componente: su masa, volumen, costo, etc. El diseño óptimo es aquel que maximice o minimice p. Los tres grupos de parámetros en la ecuación se dice que son separables cuando la ecuación puede escribirse de la forma: p = f 1(F) f 2(G) f 3(M) Cuando los grupos son separables, como lo es generalmente, la elección óptima del material se hace independiente de los detalles del diseño, este es el mismo para cualquier geometría y para cualquiera e los requerimientos. Así el óptimo subconjunto de materiales puede ser identificado sin solucionar el problema de diseño por completo. Esto permite una gran simplificación pues para maximizar F y G debe maximizarse f 3(M), el cual es llamado coeficiente de eficiencia del material. El producto restante se conoce como índice estructural. Cada combinación de función, objetivo y restricciones nos conduce a un índice de material.
El procedimiento de selección Propiedades limite: condiciones de avance y restricciones geométricas Muchos diseños imponen restricciones fijas en el material del cual están hechos. La temperatura es una de ellos, la resistencia a la corrosión, el costo, etc. Las restricciones geométricas también generan límites en las propiedades del material. Por ejemplo puede haber restricciones en longitudes o quizás si el espacio es limitado habrá restricciones de áreas, lo cual ante una carga a soportar fija variara los esfuerzos y con ello impondrá límites a las propiedades de resistencia de un material. Esto conducirá a limites en propiedades como el modulo de elasticidad, densidad, etc. Estas pueden graficarse para delimitar zonas y depurar materiales que no se encuentren en los límites establecidos.
Criterios de rendimiento máximo El siguiente paso es buscar, entre los subconjuntos de materiales que cumplen con las propiedades limites, aquellos que maximicen el funcionamiento del componente. Por ejemplo si el índice a maximizar es E/ρ = C, se grafica la tendencia de la pendiente de este para distintos conjuntos de materiales en graficas como la que se muestra, así seleccionaremos entre aquellos que maximicen este índice. En la figura los materiales 1/2 que se encuentran con C = E / ρ tienen equilibrio entre la rigidez y su ligereza.
El índice estructural La eficiencia de un material usado en componentes cargados mecánicamente, depende de tres factores: el índice de material (ya analizado), un factor que describe la forma de la sección y el índice estructural. Este contiene elementos de los requerimientos funcionales y la geometría. Este merece especial atención pues hace la conexión con las teorías clásicas del óptimo diseño. Designando valores óptimos para este índice se minimizaran o maximizaran los requerimientos.
