2.- Unidad II Materiales de Ingeniería.pptx
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El documento describe la evolución de los materiales a través de la historia, desde los primeros metales como el cobre y el hierro hasta los avances modernos. Explica que los primeros materiales eran naturales como la madera y la piedra, mientras que los metales revolucionaron las civilizaciones. También destaca los progresos recientes en materiales magnéticos, superconductores y nanomateriales que han permitido la miniaturización de dispositivos.
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- 2. Material: Porción de materia que se procesa para que adquiera una forma a la que se le da un uso particular para desarrollar una actividad específica.
- 3. Materiales Los materiales son la base para la producción en la industria de manufactura (procesos de manufactura), suelen llamarse materia prima. En un principio están sin procesar, pero en la mayoría de los casos se aplican procesos de manufactura para convertirse en productos finales o intermedios útiles al hombre.
- 5. Relación: Estructura-Propiedades-Procesamiento-Desempeño CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES Propiedades Estructura / Composición Síntesis / Procesamiento Desempeño en servicio
- 7. Los materiales han tenido un gran impacto en la evolución de la humanidad, estos han sido la clave del progreso. Todas las civilizaciones han sido catalogadas por los materiales que han usado, la edad de piedra, la del bronce, etc. Sin embargo en tiempos recientes los materiales han progresado, no en décadas o siglos, sino en meses.
- 8. Cementado de Cu-calamina por fusión de Cu-Zn latón Zn meteórico primeras reducciónes carburación y temple revenido coque y conversión Fe reducción de reducción de casiterita aluvial mineral de veta Sn casioterita fusión de Cu y Sn Cu crudo Bronce de galena afinado Pb Nativa de galena afinada Ag Nativo nativo reducción de tostación y fusión recocido menas oxidadas de menas sulfuradas Cu Nativo Au METALES Textos Coque Mecanización Copelación Licuefacción Carburación Amalgación y temple Tostación de menas sulfuradas Reducción de menas oxidadas Recocido del Cu nativo PROCESO 5000 1000 + 1000 2000 4000 3000 2000 Materiales Magnéticos Superconductores Nanomateriales Polímeros
- 9. HISTORIA DE LOS METALES Los procesos metalúrgicos se remontan a 6 000 AC Los primeros metales: Au (gold) (6 000 BC) y Cu (copper) (4 200 BC) Los siete metales de la antiguedad fueron: Au (Gold- 6000BC), Cu (Copper- 4200BC), Ag (Silver -4000BC), Pb (Lead -3500BC), Sn (Tin - 1750BC), Hierro fundido (Smelted Iron -1500BC) y Hg (Mercury - 750BC) Tres fueron nativos y utilizados por: mesopotámicos, egipcios, griegos y romanos. A excepción del hierro y el bronce (Cu-Sn) los demás no eran metales estructurales, el Au y la Ag fueron usados para monedas, joyería y ornamentación. Solo 24 fueron descubiertos antes del siglo XIX Actualmente se conocen 86 metales.
- 10. El cobre se encontró en forma nativa en Chipre, el cual fue trabajado para convertirlo en diferentes componentes. Después del conformado este se fragiliza, por lo que aprendieron a recocerlo en las fogatas. Láminas de Cu fueron conformadas alrededor del 5 000 AC . Productos fundidos de Cu del año 3 600 AC se encontraron en el valle del Nilo. La fudición de minerales de estaño con minerales de cobre produjo un nuevo tipo de “cobre”, más fácil de fundir y más fuerte en estado sólido, (descubrimiento del BRONCE). A partir de Hematita (óxido de hierro) se obtuvo el primer HIERRO FUNDIDO usando como reductor el carbón. Se hizo mezclando mineral de hierro, carbón y fundente (lime), como se hace en la actualidad en los altos hornos, e inyectando aire mediante sopladores. En aquel tiempo las temperaturas máximas alcanzadas fueron de los 1100 °C era muy difícil alcanzar la reducción del mineral.
- 11. Reducción del Mineral de Hierro 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 2Fe3O4 + 2CO 6FeO + 2CO2 6FeO + 6CO 6Fe + 6CO2 Magnetita (Fe3O4) Arrabio o Pig Iron, producto del alto horno Caliza (CaCO3) Coque
- 12. Se obtuvo arrabio (Pig Iron): 3 a 4 %C, 1 a 2 % Si, mezclado con escoria. Al enfriarse al estado pastoso se cortaba y forjaba en forma de barras. Frío era muy difícil de forjar. Para obtener un hierro para forja (hierro conformable o wrougth iron), fue tostado y pudelado para remover el exceso de carbón y escoria. El producto fue un hierro dúctil mezclado con poca escoria. Cuando se forjaba a 750 C, la mayoría de la escoria se eliminaba. Placas: fueron forjada para producir las famosas espadas de Toledo. Las armas de hierro revolucionaron la guerra, así como los utensilios usados por granjeros en la agricultura. De esta forma el hierro y el acero llegaron a ser: EL CIMIENTO DE LA SOCIEDAD MODERNA.
- 13. EVOLUCIÓN DE LOS MATERIALES Materiales Naturales: madera, pieles, resinas, hule y las fibras (polímeros y elastómeros), la piedra, el cemento, la arcilla (para cerámica) fueron desplazados por metales procesados, como el hierro, el acero, las superaleaciones, etc. en el período de 10 000 AC hasta 1950. Con la llegada de los polímeros sintéticos y los elastómeros, el descubrimiento de los materiales compuestos (composite) reforzados con fibras, así como el crecimiento de los cerámicos y vidrios ingenieriles, los materiales metálicos han reducido su crecimiento a partir de 1950.
- 14. PROGRESOS EN MATERIALES ESTRUCTURALES Una medida del progreso de los materiales es el incremento de la relación resistencia/densidad llamada “RESISTENCIA ESPECÍFICA” (SDR Strength/density ratio)) Unidad típica de resistencia: N/m2 llamados Pascales es más común usar los Mega-Pascales (Mpa) y los Giga-Pascales (Gpa), en el sistema ingles son los psi (lb/in2) La relación SDR es una medida del peso que se ahorra cuando se alcanza una resistencia igual con diferente material. Desde el principio de los tiempos la piedra y la madera han sido utilizados como materiales estructurales, la piedra trabajando en condiciones de presión y la madera en condiciones de tensión o compresión en dirección a la orientación de sus fibras.
- 15. PROGRESOS EN MATERIALES ESTRUCTURALES Los primeros materiales para ingeniería fueron naturales. El material con mayor SDR es sorprendentemente la madera la cual es mayor a 8x105 in Los primeros metales estructurales fueron el cobre, aleaciones base cobre (bronce) el hierro colado y el hierro conformado (wrougth iron) Los metales son más fuertes que la madera y la piedra en resistencia absoluta, pero son más pesados (densos), por lo que sus SDR son del orden de 0.4x105 in y 1.2x105 in. El hierro conformado para armamamento, así como los utensilios agrícolas revolucionaron la guerra y la agricultura, en conjunto con el acero fueron los materiales que revolucionaron la civilización. Puente de madera Puente de acero Puente de hierro
- 16. PROGRESOS EN MATERIALES ESTRUCTURALES El SDR se ha incrementado espectacularmente en 50 veces en los últimos 15 años Por Ejemplo: Para suspender un peso de 25 Ton. se utilizan barras cilíndricas de hierro colado (Resistencia = 50 000 lb/in2) que deben generar un área transversal de al menos 1.0 in2, (equivalente a un radio de 0.56 in) y un peso de 4 lb/ft. El mismo peso puede ser suspendido con una cuerda (trenzada) de fibras de polímero de alta resistencia con un área transversal de 0.10 in2 (radio de 0.18 in), con peso de 1 oz/ft. Estos avances tienen aplicaciones para aligerar componentes: puentes, armazones para lentes, raquetas, componentes para autos, camiones y aviones y con menor consumo de combustibles.
- 17. PROGRESO EN MATERIALES MAGNÉTICOS En los años 80´s se obtuvieron magnetos 100 veces más potentes que los ferromagnetos tradicionales a través del desarrollo de magnetos NdFeB. La importancia de esto es la reducción en el tamaño y peso de los motores eléctricos industriales. Se hizo posible la miniaturización debido a su alta eficiencia: surgen los primeros walkman, reproductores de CD, Ipod, grabadoras-reproductoras, discos para almacenaje de computadoras (7 ½, 5 ½, 3 ½, CD 700 MB, memorias USB (1 a 8 GB), memorias ultradelgadas de alta capacidad (200 GB), computadoras (laptop y notebook superligeras), etc.
- 18. NUEVOS MATERIALES PROGRESO EN SUPERCONDUCTORES SUPERCONDUCTIVIDAD (SC): Escencialmente equivale a cero resistencia eléctrica, fue descubierta en 1911. La SC ocurre solo debajo de la llamada temperatura crítica (Tc) En los años 70, la Tc alcanzada fue solo 23 K arriba del cero absoluto, es decir – 250 C, la cual no es una temperatura práctica para la mayoría de las aplicaciones, se utilizaron aleaciones metálicas o intermetálicas. En los inicios de 1986, los científicos trabajaron con una nueva clase de material –ciertos óxidos cerámicos-, los cuales funcionan como superconductores a altas temperaturas, 30 K, para finalmente trabajar a 125 K. Con estos descubrimientos, se ha progresado para que ciertos materiales trabajen en aplicaciones útiles a temperaturas más razonables.
- 20. RESUMEN
- 22. 1. Metales 2. Cerámicos 3. Polímeros 4. Compósitos 5. Nanomateriales 6. Biomateriales 7. Semiconductores 8. Superaleaciones 9. Vidrios 10. Cemento y Concreto Cerámicos Metales Polímeros Compósitos Clasificación Básica Clasificación Moderna
- 23. Clasificación de las aleaciones metálicas de acuerdo al metal base Aceros Hierros colados Base Aluminio (ligeras) Base Cobre Base Titanio (semiligeras) Base Magnesio (Ultraligeras) Otras: Base Ni, Base Co, Base Pb Base Zn, Preciosas, Refractarias, etc. FERROSAS NO FERROSAS
- 25. ACEROS: 1.- Aleación binaria Fe-C 2.- Contenidos máximos de 2 % de Carbono 3.- Elementos aleantes: Cr, Ni, Mo, V, Ti, Mn. 4.- Impurezas indeseables como: S, P y Mn. 5.- Pueden deformarse en frío o en caliente. HIERROS COLADOS: 1.- Aleación ternaria Fe-C-Si 2.- Contenidos máximos de 2 a 5 % de Carbono 3.- Hasta un 2% Si y siempre contienen P, S y Mn. 4.-Adquieren su forma final por procesos de fundición 5.- No pueden ser deformados ni en frío ni en caliente
- 26. Composición química, propiedades y aplicaciones de aceros al carbono ACEROS NOMENCLATURA 10 XX, EL 10 INDICA QUE ES UN ACERO AL CARBONO XX NÚMERO QUE DIVIDIDO ENTRE 100 INDICA EL % C
- 27. Aplicaciones de aceros al carbono
- 28. Aceros Aleados
- 29. Aplicaciones de aceros aleados
- 30. Aceros Inoxidables (Stainless Steel): aceros con más del 12 % de Cr, algunos con adiciones de Ni, en los cuales se forma un delgada película protectora de óxido de cromo cuando el acero se expone al oxígeno CLASIFICACIÓN En base a su estructura y al mecanismo de endurecimiento: INOXIDABLES FERRITICOS: tienen más del 30 % de Cr y menos del 0.12 %C, su estructura es ferrítica, son relativamente baratos. Ejms: 430, 442 INOXIDABLES MARTENSITICOS: su % Cr generalmente es menor al 17%, contienen de 0.1 hasta 1 %C, tienen alta templabilidad, por lo que adquieren elevadas durezas. Ejms. 416, 431, 440 INOXIDABLES AUSTENÍTICOS: contienen además del Fe, altos contenidos de Cr y Ni (estabilizador de la austenita). El contenido de C es menor al 0.03 %. Son muy dúctiles y más resistentes a la corrosión que los ferríticos, pero son caros. Ejms: 201, 304, 304L, 321
- 31. Aplicaciones de Aceros Inoxidables (resistentes a la corrosión)
- 32. Clasificación en base a la microestructura H. Nodulares H. Grises H. Vermiculares H. Blancos Hierros colados (Cast Iron)
- 33. Table 2. Grades of Automotive Gray Iron Castings Designated by Brinell Hardness as in Specification SAE J431 SAE Grade Specified Hardness BHN* Minimum Tensile Strength (for design purposes) psi  MPa Other Requirements G1800 187 max 18,000 124 G2500 170-229 25,000 173 G2500** 170-229 25,000 173 3.4% min C and microstructure specified G3000 187-241 30,000 207 G3500 207-255 35,000 241 G3500b** 207-255 35,000 241 3.4% min C and microstructure specified G3500c** 207-255 35,000 241 3.5% min C and microstructure specified G4000 217-269 40,000 276 *Hardness at a designated location on the castings **For applications such as brake drums, disc and clutch plates to resist thermal shock Hierros Grises o Grafilaminares
- 34. ASTM A 536 DUCTILE IRON CASTINGS Tensile Requirements Grade 60/40/18 Grade 65/45/12 Grade 80/55/06 Grade 100/70/03 Grade 120/90/02 Tensile strength, min, psi 60 000 65 000 80 000 100 000 120 000 Tensile strength, min, MPa 414 448 552 689 827 Yield strength, min, psi 40 000 45 000 55 000 70 000 90 000 Yield strength, min, MPa 276 310 379 483 621 Elongation in 2 in. or 50 mm, min, % 18 12 6.0 3.0 2.0 Tensile Requirements for Special Applications Grade 60/42/10 Grade 70/50/05 Grade 80/60/03 Tensile strength, min, psi 60 000 70 000 80 000 Tensile strength, min, MPa 415 485 555 Yield strength, min, psi 42 000 50 000 60 000 Yield strength, min, MPa 290 345 415 Elongation in 2 in. or 50 mm, min, % 10 5 3 Hierros Nodulares o Dúctiles
- 35. Austempered ductile iron suspension arm for a Ford Mustang Cobra
- 36. ALEACIONES BASE ALUMINIO Aleaciones para fundición (Cast alloys) Aleaciones para procesos metalmecánico (Wrougth alloys)
- 38. CLASIFICACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO Al Zn Mg Cu Mn Si Al-Cu Al-Cu-Mg Al-Mg-Si Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg-Cu Al-Si-Cu Al-Mg Al-Si Al-Mn Metal Base Aleantes Aleaciones para fundición Aleaciones para procesos metalmecánico Aleaciones tratables térmicamente
- 39. ALEACIONES BASE ALUMINIO PARA FUNDICIÓN(CAST ALLOYS) DESIGNACIÓN DE ALEACIONES PARA TABAJADO METALMECÁNICO (WROUGHT ALLOYS)
- 40. Ejemplos de aleaciones coladas base aluminio
- 41. Aleaciones base aluminio para procesos metalmecánicos (metalworking) AM
- 44. Plásticos Termoestables: Resinas fenólicas, resinas úranicas, resinas melamínicas, resinas epóxicas, poliésteres, poliuretanos. Endurecen bajo la acción del calor, la presión y su endurecimiento es irreversible por haber sufrido una modificación en su estructura química, a nivel molecular, ya no se pueden remoldear o ablandar bajo la acción del calor y presión. Los plásticos termoestables son comparables a la arcilla, que una vez endurecida con el calor (cocida), su forma es definitiva.
- 45. Melamina Resina fenólica Resina epóxica Termofijos (Thermoset Plastics)
- 46. Moldeo por compresión Moldeo por transferencia Moldeo por inyección Procesos de Manufactura
- 47. Plásticos Termoplásticos: Polivinílicos, poliestirénicos, poliamidas, policarbonatos, polietilénicos, polimetacrilatos, politetrafluoretilenos, elastómeros. El calor les da plasticidad y fluidez, así se pueden inyectar a presión en un molde determinado, adoptando la forma del hueco del molde, se pueden laminar, etc., pero endurecen tan pronto como se enfrían. Los termoplásticos se pueden remoldear, por consiguiente pueden aprovecharse las piezas defectuosas, los recortes, etc. Haciendo una analogía, se podrían comparar con la cera, que se endurece con el frío y cuyo endurecimiento no es definitivo, pues con el calor se reblandece y puede ser nuevamente moldeada.
- 48. Termoplásticos (Thermoplastics) POLYAMIDA (NYLON) POLIAMIDA REFORZADA POLYACETAL POLICARBONATO POLIESTER
- 49. Procesos de manufactura (Termoformado, Moldeo por soplado, Extrusión, laminado)
- 50. Elastómeros: Tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera transformación de enlaces cruzados entre las cadenas moleculares. Los elastómeros son capaces de deformarse elásticamente en grandes magnitudes sin cambiar de forma permanentemente. Los elastómeros típicos son polímeros amorfos, no cristalizan fácilmente. Tienen una baja temperatura de transición vítrea y las cadenas se pueden deformar elásticamente con facilidad al aplicar una fuerza. Elastómeros termoplásticos, no se basan en los enlaces cruzados para producir gran cantidad de deformación elástica. Se comportan como termoplásticos a temperaturas elevadas y como elastómeros a temperaturas bajas. Este comportamiento permite que se puedan reciclar con mayor facilidad que los elastómeros convencionales.
- 52. Extrusión Colada de Uretano Procesos de Manufactura
- 53. Si bien existen más de 100 tipos de plásticos, los más comunes son sólo seis, y se les identifica con un número dentro de un triángulo para efecto de facilitar su clasificación para el reciclado, ya que las características diferentes de los plásticos exigen generalmente un reciclaje por separado. Triángulo Möbius
- 54. Clasificación del Sistema de Identificación Americano SPI (Society of Plastics Industry)
- 56. NOTA: Cuanto más bajo es el número, más sencillo resulta su reciclado.
- 58. Cerámicos Tradicionales: Formados por tres compuestos básicos: arcilla (clay), silice (flint), y feldespato. Ejm: ladrillos para construcción, mosaicos, porcelanas, barros, arcillas para piezas decorativas o de cocina, etc. Sus composiciones químicas son muy complejas. Cerámicos para Ingeniería: Son compuestos puros a cercanos a 100 % de pureza, por ejm: carburo de silicio SiC, Alúmina Al2O3, carburo de boro BC, sílice SiO2, óxido de magnesio MgO, óxido de zircón ZrO, nitrúro de silicio Si3N4. Ejemplos de aplicaciones: componentes para turbinas, óxidos de soporte para circuitos integrados, refractarios para hornos de alta calidad, aislantes térmicos y eléctricos, pinturas refractarias, etc.
- 60. Cerámicos Ingenieriles • Compuestos puros o casi puros • Alúmina (Al2O3): refractarios, crisoles de alta pureza, aislantes eléctricos de alta calidad, abrasivo, etc. • Nitruro de silicio (Si3N4): herramientas de corte, insertos • Carburo de silicio (SiC): para materiales compuestos (fibras o partículas), crisoles, abrasivo, discos de corte, afilado de herramientas, etc. • Zircónia (ZrO2): tiene alta resistencia a la fractura, se aplica en: pinturas refractarias, refractarios para hornos, etc.
- 62. Condiciones de trabajo de un refractario para horno de fusión de metales.
- 63. Los cerámicos técnicos se pueden clasificar en tres distintas categorías: -- Óxidos: Alumina, zirconia -- No-óxidos: Carburos, boruros, nitruros, siliciuros. -- Compositos: Reforzado con partículas, combinación de óxidos y no-óxidos. Cada una de estas clases puede desarrollar propiedades únicas.
- 67. Un Material Compuesto es manufacturado por el hombre y esta formado por dos materiales conocidos como constituyentes, es decir es la combinación o ensamble de dos fases separadas las cuales quedan íntimamente unidas; una de ellas es un material discontinuo el cual se conoce como material de refuerzo y el otro es un material continuo con propiedades mecánicas menores conocido como matriz. Lo anterior excluye a las aleaciones de composición eutéctica, precipitados secundarios o segregaciones resultados de procesos tales como solidificación o tratamiento térmico.
- 68. Metal + Cerámico = Compuestos de matriz metálica (MMC) o matriz cerámica (CERMET) Cerámico 1 + Cerámico 2 = Composito cerámico o Cerámico reforzado (Fibras, hojuelas o partículas) Vidrio + Fibra de cerámico = Vidrio cerámico Fibra de Carbon + Resina (Termofija) Fibra de Vidrio + Resina (Termofija) Fibra de Polímero + Resina (Termofija) Termofija = Termoestable
- 69. De matriz metálica: Al-SiC, Mg-Al2O3, Al-Mg-SiO2 Al-Si-SiC, Al-Cu-Al2O3 De matriz cerámica: SiC-Al2O3, SiO2-MgO, TiO2-MgO De matriz polimérica: metilmetacrilato-SiO2 resina- Al2O3 , aramid-carbón Otros: maderas-formaica, concretos y cementos, concreto-varilla, etc.
- 70. Al-SiC (partículas) Al-Al2O3 (fibras) Cu-C (fibras) Ti-SiC (fibras)
- 73. Propiedad Metales Cerámicos Vidrios Polímeros Cemento y Concreto Compósitos Resistencia a la Tensión E M B M B A-M-B Resistencia a la Compresión M A B A A A-M-B Resistencia a la Flexión A M B A M A-M-B Resistencia al Desgaste A A B M B A-M-B Dureza A-M A M B M A-M-B Tenacidad A A B A B A-M-B Plasticidad A B N A N A-M-B Densidad A-M M-B M-B M-B M-B A-M-B Conductividad térmica A B B N B A-M-B Conductividad eléctrica A M-B N N N A-M-B Propiedades Magnéticas E E N N N A-M-B E = Excelente, A = Alta, M = Media, B = Baja, N = Nula
- 74. Metales: Cerámicos: Polímeros: -- Colado -- Soldadura -- Forjado -- Trefilado -- Extrusión -- Laminado -- Doblado -- Pulvimetalurgia -- Maquinado -- Colado -- Conformado -- Extrusión -- Compactación (Generalmente con un grado de humedad y después se desecan y sus componentes se aglutinan a elevadas temperaturas) -- Moldeo por Inyección de Plástico Reblandecido (Semejante al Colado) -- Extrusión -- Conformado