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

1

1 Ingeniería de materiales (1/1)

Función

Propiedades

Material

Proceso

2 Familias de materiales • Familias generales de materiales

(1/9)

Polímeros

Composites Metales

Cerámicas

2

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)

3

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 (5/9)

• Polímeros Poliuretano Caucho

Kevlar

4

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 (ZrO2)

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)

6

Materiales en sistemas complejos

Materiales en sistemas complejos

ILD ES Cu

7

3 Propiedades

(1/6)

CLASE

PROPIEDAD

SIMBOLO UNIDADES

General

Coste Densidad

Cm

[€/kg] [kg/m3]

Mecánica

Módulo elástico Resistencia (fluencia, fractura) Tenacidad Amortiguamiento Umbral de fatiga

E σy, σf KIc

[GPa] [MPa] [MPa m1/2] [-] [MPa]

Conductividad térmica Calor específico Temperatura de fusión Temperatura de transición vítrea Coeficiente de expansión

λ Cp Tm Tg

α

[W/mK] [J/kg K] [K] [K] [K-1]

Desgaste

Constante Archard de abrasión

kA

[MPa-1]

Corrosión

Velocidad de corrosión

K

[mm/año]

Térmica

3 Propiedades

ρ

η

σe

(2/6)

• Densidad – Simbolo: ρ – Unidades: kg/m3 – Relación entre la masa de un material y su volumen

8

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: σy – Unidades: MPa – Tensión a partir de la cual un material no es capaz de recuperar su forma inicial

9

3 Propiedades (5/6)

• Tenacidad – Simbolo: KIc – Unidades: MPa m1/2 – Resistencia de un material a propagar grietas

3 Propiedades (6/6)

• Temperatura de fusión – Simbolo: Tm – Unidades: K (Kelvin) – Temperatura a la cual un sólido comienza a licuarse

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4 Procesos de conformado (1/30)

P.C. primarios

Material en bruto

Colada

Moldeo a presión

Deformación Plástica

Pulvimetalurgia

Métodos Especiales

Mecanizado

Tratamientos térmicos Acabados

4 Procesos de conformado (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

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4 Procesos de conformado (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 Procesos de conformado (4/30)

• Colada en arena Aluminio (Al) Carcasa motor

Oro (Au) Lingotes

12

4 Procesos de conformado (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

4 Procesos de conformado (6/30)

• Moldeo rotativo o rotomoldeo Polietileno Contenedores Polietileno Juguetes

Polietileno Depósitos

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4 Procesos de conformado (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

4 Procesos de conformado (8/30)

• Colada a la cera perdida Bronce (Cu+Pb) Arte

Acero (Fe+C) Radiador

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4 Procesos de conformado (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

4 Procesos de conformado (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

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4 Procesos de conformado (11/30)

• Moldeo por inyección ABS Carcasas móviles

Policarbonato Vasos

4 Procesos de conformado (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

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4 Shaping processes (13/30)

• Moldeo a presión Zamac (Zn+Al+Mg+Cu)

Medallas y llaveros

Accesorios fontanería

4 Procesos de conformado (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

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4 Procesos de conformado (15/30)

• Soplado PET Botellas de leche

Vidrio Botellas y tarros

4 Procesos de conformado (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

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4 Procesos de conformado (17/30)

• 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 • Tibio • Frío

T > 0.85 Tm 0.85 Tm > T > 0.55 Tm 0.55 Tm > T

4 Procesos de conformado (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

19

4 Procesos de conformado Laminación

Papel de aluminio (Al)

(19/30)

Viga de acero (Fe+C)

4 Procesos de conformado (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

20

4 Procesos de conformado (21/30)

• Forja Cobre (Cu) Conexiones eléctricas

Acero (Fe+C) Llaves fijas

4 Procesos de conformado (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

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4 Procesos de conformado (23/30)

• Extrusión Aluminio (Al) Usos diversos

Cobre (Cu) Disipador térmico

4 Procesos de conformado (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

22

4 Procesos de conformado (25/30)

• Embutición Aluminio (Al) Lata de refresco

Inoxidable (Fe+Cr+Ni) Fregadero

4 Procesos de conformado (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

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4 Procesos de conformado (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

4 Procesos de conformado (28/30)

• Prensado-Sinterizado Niquel (Ni) Rotor inyección

Alúmina (Al2O3) Turbinas

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4 Procesos de conformado (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

4 Procesos de conformado (30/30)

• Laminado manual Fibra vidrio + Poliester Piscina

Fibra vidrio + Poliester Yate

25

5 Evolución y aspectos económicos (1/8)

• Evolución de la importancia de los materiales

5 Evolución y aspectos económicos (2/8)

• Fecha de introducción materiales conocidos MATERIAL

APLICACIÓN

AÑO

Aluminio (proceso Hall) Filamento de Carbón Wolframio dúctil Inoxidable 18-8 Carburo de Wolframio Nylon Composites fibra de vidrio Polietileno Diamantes industriales Silicio (grado electrónico) Titanio Fibras de grafito Polipropileno Diamante (CVD) Metales amorfos

Material ligero Lámparas eléctricas Filamentos de bombillas Acero resistente a corrosión Herramientas de corte Fibras, tejidos Cañas de pesca, estructuras Fibras, láminas, botellas Súper-abrasivos Semiconductores Componentes aeronáuticos Fibras de alta resistencia Fibras, botellas Recubrimientos Núcleos de transformadores

1880-1890 1880-1890 1910-1920 1910-1920 1920-1930 1930-1940 1940-1950 1940-1950 1950-1960 1950-1960 1950-1960 1960-1970 1960-1970 1980-1990 1980-1990

26

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 Al

Fe

K Mn Ca Na O Si Al Fe Ca Na K Mn

O

Si

Corteza (3x1021 kg) Ar

Cl Na H

O

Océanos (1x1020 kg)

O O H Cl Na

N

N O Ar

Atmósfera (5x1018 kg)

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5 Evolución y aspectos económicos (5/8)

• Ejemplos del coste producción y conformado ACERO (1978, UK) Material

ALUMINIO (1963, USA) 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

Material

Precio(€/t)

Mineral (Bauxita) Alúmina (Al2O3) Lingote Al Semiproducto y piezas de fundición

8 75 450 1000

5 Evolución y aspectos económicos (6/8)

• Coste de producción Ctotal = C M +

Ceq n

+

C& l n&

• Siendo: – – – – – –

Ctotal CM Ceq C& l n n&

coste unitario total coste del material por pieza coste del equipo coste laboral por unidad de tiempo número de piezas a producir productividad (piezas/tiempo)

28

5 Evolución y aspectos económicos (7/8)

• Ejemplo del coste de producción

Ctotal = CM +

Ceq C& l + n n&

5 Evolución y aspectos económicos (8/8)

• Precio material base y producto acabado

29