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  • 1. MATERIALES DE INGENIERÍA (Parte 1) Julio Vergara Aimone ICM 2312
  • 2. INTRODUCCION El diseño mecánico debe estar subordinado a la utilidad del componente o sistema, que tendrá una aplicación deseada en cierto ambiente. Ese diseño involucra la selección de materiales adecuados y geometrías posibles. La 1a define el tipo de propiedades que se prefie- ren, acorde a los componentes básicos y enlaces, morfología, estructura, historial de procesamien- to y ausencia de defectos, para desempeñar un rol. Este arreglo definirá cierto comportamiento mecánico, en un laboratorio. J.Vergara ICM2312
  • 3. INTRODUCCION El diseño mecánico debe estar subordinado a la utilidad del componente o sistema, que tendrá una aplicación deseada en cierto ambiente. Ese diseño involucra la selección de materiales adecuados y geometrías posibles. La 2a determina la forma general de las piezas, los esfuerzos, deformaciones y deflexiones a las cuales se someterá el componente debido a sus cargas. En la mayoría de los casos, las piezas de- ben incorporar márgenes para asegurar que el desempeño sea satisfactorio durante su vida útil. J.Vergara ICM2312
  • 4. INTRODUCCION El diseño mecánico debe estar subordinado a la utilidad del componente o sistema, que tendrá una aplicación deseada en cierto ambiente. ¿Qué entendemos por “ambiente”?. El ambiente de operación implicará un arreglo de condiciones que alterarán el comportamiento del material. Pueden ser cargas con cierto historial de aplicación (i.e. estático, cíclico) a una tempe- ratura dada (i.e. alta, muy baja, estable, variable), potencial electroquímico y a veces neutrones. . El sueño del diseñador: f (s, e, e, T) = 0 J.Vergara ICM2312
  • 5. INTRODUCCION Aplicación Ambiente Cargas Material Geometría T E, sy, sUTS, ef, sF, n, E+ SP, Q, M, I, Pb, kt, kf, r, KIC, $, Cp, k, a, … n s 1 , s 2 , s 3 , e i, … Comportamiento f (si, ej,...) < sADM Desarrollo J.Vergara ICM2312
  • 6. MATERIALES DE INGENIERÍA Hay diferentes modelos para ponderar materiales de ingeniería. Veremos un par de modelos. Una subestimación de propiedades puede signi- ficar una inutilidad por la pérdida de preferencia en un mercado (i.e. un amortiguador que afloja) como también un accidente catastrófico (i.e. un avión que se fractura o un tren que descarrila). La sobreestimación de propiedades implicará un gasto de innecesario de recursos. En un ejemplo anterior, el sobredimensionamiento de un cuerpo en rotación implicaba una falla por propia masa. J.Vergara ICM2312
  • 7. MATERIALES DE INGENIERÍA El comportamiento de esos materiales depende del entorno o ambiente de operación al cual se somete, aspectos que revisaremos. Además, vimos antes algunos ejemplos que nos señalan una rara interelación de la aplicación con decisiones humanas posteriores, que no fueron consideradas completamente en el diseño. No todos los diseñadores anticipan estos aspec- tos. La experiencia de un diseñador responsable impondrá márgenes y salvaguardias para no salir- se de la “frontera de operación segura”. J.Vergara ICM2312
  • 8. MATERIALES DE INGENIERÍA Aplicación Ambiente Cargas Material T E, sy, sUTS, ef, sF, n, E+ r, KIC, $, Cp, k, a, … n Comportamiento f (si, ej,...) < sADM Desarrollo J.Vergara ICM2312
  • 9. MATERIALES DE INGENIERÍA Las clases de Metales y ¡ Los atributos aleaciones materiales: sy medio qué esperamos!: ef medio E alto KIC medio Precio amplio Compositos sy alto ef medio Cerámicos (crist.) E alto Polímeros y vidrios (amorfo) KIC medio sy alto Precio alto sy medio ef bajo ef alto E alto E bajo KIC bajo KIC medio Precio bajo Precio medio J.Vergara ICM2312
  • 10. MATERIALES DE INGENIERÍA Uso de metales: Queen Mary II: 76 mil toneladas de una amplia gama de metales en el casco, estructuras, turbomáquinas, etc. para un servicio de turis- mo de lujo a 2600 pasajeros, atendidos por 1250 personas. El buque desplaza 150 mil toneladas y navega a más de 50 km/h con una no- vedosa combinación de turbinas, motores Diesel y cuatro propulso- res eléctricos en bulbo de giro azimutal (mermaids). Genera 1/3 más de electricidad (no propulsiva) que la región de Aysén. J.Vergara ICM2312
  • 11. MATERIALES DE INGENIERÍA Uso de cerámicos y vidrios: Los cerámicos son cristales para variadas aplicaciones mundanas (vajilla para la cocina) y otras sofisticadas, que incluyen membranas de UF asimétrica, álabes de turbinas, paredes de reactores de fusión y combustible nuclear. Su mayor atributo, aparte de la formabilidad, es la resistencia a la temperatura y a ciclos térmicos, i.e. en álabes de turbinas. Los vidrios, por otro lado, son materiales amorfos con propiedades ópticas aptos para muchos usos comunes. J.Vergara ICM2312
  • 12. MATERIALES DE INGENIERÍA Uso de polímeros: Los polímeros son encadenamientos amorfos para una amplia variedad de aplicaciones estructurales para la industria y de uso diario, así como usos médicos y químicos. Los automóviles los utilizan en muchas partes (i.e. molduras, cu- biertas, revestimientos, etc.) y piezas (mangueras, sellos, silvines, soportes, radiadores, etc.). Hay polímeros naturales (i.e. madera y la goma) y polímeros sintéticos (i.e. plásticos y elastómeros). J.Vergara ICM2312
  • 13. MATERIALES DE INGENIERÍA Creciente uso de compositos: Boeing 787: Compositos le ahorrarán ~20% de combustible (y emi- siones) respecto a un avión (aparato complejo donde la seguridad es vital) de igual tamaño y prestación, por: (a) mejor aerodinámica, (b) nuevas turbinas (RR o GE, con 8% de la economía, con bajo nivel de ruido, para M=0.85), (c) sistema eléctrico distribuido, (d) menor peso total por uso intensivo de estos materiales (15 tons menos que su par Airbus A330-200) y (e) otras tecnologías. J.Vergara ICM2312
  • 14. MATERIALES DE INGENIERÍA Creciente uso de compositos: El B787 usará 50% de compositos en fuselaje y alas, 20% de alumi- nio, 15% de titanio, 10% de acero y 5% de otros. Además, nuevas tecnologías de producción eliminarán vigas y miles de remaches, y permitirá que varias secciones del fuselaje sean una sola pieza. J.Vergara ICM2312
  • 15. MATERIALES DE INGENIERÍA Las clases de Metales y El ambiente aleaciones materiales: típico en DM: Mecánico Compositos Ambiente Polímeros Cerámicos (crist.) y vidrios (amorfo) J.Vergara ICM2312
  • 16. CIENCIA DE MATERIALES Procesamiento A de materiales. Enlace Iónico Covalente Metálico Molecular Empaque Hendiduras Estructura Atómica Grietas 7 Sistemas Segregación Macro Tratamiento térmico Micro Defectos Deformación (deslizamiento, maclaje) Puntuales Lineales Estructura de Grano Volumétricos Propiedades J.Vergara ICM2312
  • 17. CIENCIA DE MATERIALES Compósito Repulsión Atracción Cerámico Polímero Enlaces Atómicos Metal Iónico Se atraen iones U = - q2 + B + U X X X i por fuerza EM 4pe0a a n Covalente Se comparten e- U = - A + B X X X X de última órbita a m an Metálico Se desacoplan e- U = - A + B X X de última órbita a m an Molecular Se atraen por U=- A + B X X X momento dipolar a6 an J.Vergara ICM2312
  • 18. CIENCIA DE MATERIALES U B repulsión Fuerzas an interatómicas a A atracción - am ao a dU F= dU da F = max max da Atracción dU 0 0 da a0 = Posición de equilibrio repulsión ad = Posición de disociación a a0 ad J.Vergara ICM2312
  • 19. CIENCIA DE MATERIALES U B repulsión Módulo de Young an a A atracción - am ao a a0 ad dF d2U Se define S, la Rigidez del enlace: S= = da da2 d2U Si la elongación es pequeña, S es cte: S0= ≡ da2 a=a a 0 ∫ La fuerza entre 2 átomos, cerca de a0: F = S0 da = S0 (a–a0) a0 J.Vergara ICM2312
  • 20. CIENCIA DE MATERIALES U B repulsión Módulo de Young an Supongamos una estruc- A atracción - tura de enlaces simples: am a ao ad s s J.Vergara ICM2312
  • 21. CIENCIA DE MATERIALES U B repulsión Módulo de Young an Supongamos una estruc- A atracción - tura de enlaces simples: am a ao ad Llamamos esfuerzo s a la s s fuerza por unidad de área. s = N∙F = N∙S0 (a–a0) N es el número de enlaces ao por unidad de área (N=1/a02). J.Vergara a ICM2312
  • 22. CIENCIA DE MATERIALES U B repulsión Módulo de Young an Supongamos una estruc- A atracción - tura de enlaces simples: am a ao ad a–a0 1 Llamamos deformación e : e= N= 2 a0 a0 S0 Vimos que el esfuerzo es s : s = N∙S0∙(a–a0) = e = E∙e a0 S0 Módulo de Young (E) E= (Ley de Hooke s = E∙e) a0 J.Vergara ICM2312
  • 23. CIENCIA DE MATERIALES U B repulsión Módulo de Young an E puede obtenerse de S0, A atracción - i.e. la 2a derivada de U: am d2U S0 S0= 2 E= ao ad a da a0 dU d -q2 + B + U q2a0n-1 Con enlace iónico: = i = 0  B= da da 4pe0a a n 4npe0 S0 (n-1)∙q2 (0.58)∙(1.6∙10-19)2 Luego, E será : E= = 4 = 4p8.8∙10-12(2.5∙10-19)4 a0 4pe0a0 E = 38 GPa Para un metal, m < n J.Vergara ICM2312
  • 24. CIENCIA DE MATERIALES U B repulsión Módulo de Young an E puede obtenerse de S0, A atracción - i.e. la 2a derivada de U: am d2U S0 S0= 2 E= ao ad a da a0 Rango típico Metales E ~ 30 a 500 GPa (S0 ~15-40 N/m) para materia- Cerámicos E ~ 8 a 1000 GPa (S0 ~9-180 N/m) les sólidos: Polímeros E ~ 10-2 a 20 GPa (S0 ~ 1 N/m) Compositos E ~0.8 a 600 GPa (S0 ~ complejo) J.Vergara ICM2312
  • 25. CIENCIA DE MATERIALES Módulo de Young METALES CERAMICOS POLIMEROS COMPOSITOS 103 Diamante WC, SiC Metales y E aleaciones Os, W, Mo Al2O3, Si3N4 Cermets E alto Cr, Ni MgO CFRP 102 Fe, Acero Cu, Ti, Al ZrO2, Mulita Sílica Fibra vidrio GPa Zn, Sn, Mg Pb Cemento Grafito GFRP Compositos E alto 101 Res-Alquídica Cerámicos (crist.) Polímeros Melamina Madera II y vidrios (amorfo) E alto E bajo Polimida PMMA Poliestireno 100 Nylon Epoxy Madera ┴ Polietileno 10-1 Polipropileno Gomas 10-2 PVC Espuma polimerica 10-3 J.Vergara ICM2312
  • 26. CIENCIA DE MATERIALES Medición del módulo de Young E puede estimarse sometiendo una probeta a s E= tensión o compresión, con la Ley de Hooke: e Una pequeña deformación e puede imponer alta variación en E, aún con un extensómetro 16pML3n2 E= preciso. Será mejor medir E a partir de la fre- 3d4 cuencia natural de una barra del material: Más preciso es medir la velocidad de ondas E = rvL2 de sonido (longitudinal) en el material: J.Vergara ICM2312
  • 27. CIENCIA DE MATERIALES La estructura atómica La forma en que los átomos están unidos es tan importante como el Módulo de Young o la rigidez del material. En general, hay tres tipos de arreglo atómico: a) Cristales (metales y cerámicos). b) Amorfo (vidrios inorgánicos y polímeros). c) Cadenas (polímeros). Podríamos agregar los compositos como híbridos de a, b, c. Estos arreglos determinan las propiedades mecánicas de los materiales de ingeniería. J.Vergara ICM2312
  • 28. CIENCIA DE MATERIALES Cuerpo Cara Base a) Estructura cristalina Simple centrado centrada centrada Cúbico (cubo isomérico) Ortorómbico (cuboide) Tetragonal (cuboide cuadrado) Hexagonal (centrado regular) J.Vergara ICM2312
  • 29. CIENCIA DE MATERIALES Cara a) Estructura cristalina Simple centrada Triclínico (paralelepípedo) Rombohédrico (trigonal) Monoclínico (prisma recto) J.Vergara ICM2312
  • 30. CIENCIA DE MATERIALES a) Estructura cristalina La estructura del cristal, 14 arreglos según demostró el físico francés Auguste Bravais, define la rigidez y estabilidad de los materiales. El arreglo resultante es el que minimiza la energía. La minimización de la energía puede requerir un arreglo dife- rente a distintas temperaturas. En tales casos, se modifica la estructura del cristal, dando lugar a otro comportamiento. El diseño de un mecanismo requiere conocer su ambiente de operación. Por ejemplo, un acero al carbono no servirá en un ambiente criogénico (i.e. estanque de LNG o vasija de ITER). Más adelante veremos atributos de los metales. J.Vergara ICM2312
  • 31. CIENCIA DE MATERIALES a) Estructura cristalina: Algunos ejemplos. g Ni3Nb Titanio-a U3Si2 Estructura de discos que Tubos de condensadores. Cerámico usado como aumentan la resistencia Cristal HCP con c/a= 1.59. combustible disperso en de superaleaciones (i.e. Se transforma en BCC (Ti- MTR de alta densidad. 718). Tetragonal CC. b) sobre 890 C. Tetragonal CC. J.Vergara ICM2312
  • 32. CIENCIA DE MATERIALES a) Estructura cristalina: Otros ejemplos. Para el caso de materiales porosos, típico en ciertos metales y cerámicos sinterizados, EP puede estimarse corrigiendo el módulo por una función de la porosidad (P). Por ejemplo: Si E es el módulo para el mismo material a densidad teórica: f(P)= fY f(P)= exp(- a(1-P)) EP = E·f(P) f(P)= (1-P)/((1-P)+bE0P) f(P)= exp(-b(1-P)-c(1-P)2) con: f y Y factores adimensionales, a, b y c contantes. J.Vergara ICM2312
  • 33. CIENCIA DE MATERIALES a) Estructura cristalina: Problemas Mitos de la peste del estaño : boto- nes de Napoleón, contenedores de parafina de Scott Degradación seria por cambio de es- tructura cristalina Napoleón Bonaparte II Robert Falcon Scott (Emperador) (Armada Real) Dramático regreso de la No regresa de expedición campaña rusa (1812) por antártica (1912) por frío, frío, deserción y caídos. cansancio y hambre. J.Vergara ICM2312
  • 34. CIENCIA DE MATERIALES b) Estructura amorfa Los vidrios usualmente son óxidos (i.e. sílica o SiO2) sin una estructura cristalina o repetitiva. El poderoso enlace iónico da resistencia térmica. Un vidrio común se funde a +1000 C por los fuertes enlaces covalentes entre Si y O. Agregando soda (Na2O) se pueden romper enlaces y bajar tal temperatura a unos 700 C. Un vidrio común es el vidrio Borosilicato (SiO2 y B2O3). Este posee bajo coeficiente de expansión térmica (5·10-6/ C a 20 C) que lo hace muy resistente al impacto térmico. J.Vergara ICM2312
  • 35. CIENCIA DE MATERIALES b) Estructura amorfa: ejemplos Un vidrio cerámico es otra aplicación de interés en ingenie- ría, en el que el material comparte las propiedades de una estructura cristalina y de una estructura amorfa. Son formados como vidrio y cristalizados por tratamiento térmico. Una fuente típica contiene cristales unidos mediante bordes de grano amorfos. J.Vergara ICM2312
  • 36. CIENCIA DE MATERIALES c) Estructura polimérica Los polímeros son materiales de creciente importancia en ingeniería y diseño mecánico. Sus aplicaciones son tan amplias (i.e. correas de transmisión, contenedores, adhesivos) como sus propiedades mecánicas. Son estructuras basadas en largas cadenas de carbono o silicio con enlaces covalentes, desde las que se encadenan moléculas para cierta aplicación. La arquitectura polimérica se encarga de lograr formas y propiedades aptas. J.Vergara ICM2312
  • 37. CIENCIA DE MATERIALES c) Estructura polimérica: ejemplos Los polímeros se clasifican en gomas (flexibles, con E ~3 MPa) y plásticos (rígidos, con E ~1-10 GPa). Una mezcla entre ambos logra los elasto- meros termoplásticos (TPE), cuyo ejemplo típico son los acrílicos (PMMA). Estos materiales se pueden entrelazar (i.e. por calor, presión o radiación gama) para mejorar propiedades o volverlos más resistentes. Por ejemplo, la madera mejora con radiación g. También se desarrollan fibras termoplásticas que se integran en materiales compositos. J.Vergara ICM2312
  • 38. CIENCIA DE MATERIALES c) Estructura polimérica: problemas La mayoría de los materiales poliméricos sufren una transi- ción a baja temperatura. Su ductilidad relativa se reduce y se vuelven rígidos mientras dure esa condición ambiental. En esa condición se tornan frágiles, debido a los enlaces. Los polímeros son cadenas amorfas, con una columna de C con enlaces covalentes. Esta estructura se “solidifica” por medio de enlaces covalentes cruzados. Pero, su elasticidad gruesa (módulo E) está dado por enlaces moleculares entre secciones de cadena. A mayor temperatura estos enlaces se disipan y el material se torna plástico  “transición vítrea”. J.Vergara ICM2312
  • 39. CIENCIA DE MATERIALES c) Estructura polimérica: problemas Diamante Cada polímero tiene su TG, 103 sobre la cual adquiere plas- E 102 Cross-link denso ticidad. Aquellos sin enlaces GPa Resina Epoxi cruzados se funden comple- 101 Nylon Alquídico tamente a TG y se vuelven PMMA líquidos viscosos (silicona). 100 Temperatura < T G Otros, al ser tensionados, se 10-1 Polietileno tornan chiclosos. A medida que las cadenas se densifi- 10-2 Temperatura > T G can el módulo crece. 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Densidad de enlaces cruzados J.Vergara ICM2312
  • 40. CIENCIA DE MATERIALES Uso de compositos Los compositos permiten mejorar ciertas propiedades. Por ejemplo, un polímero se puede hacer más rígido que lo que ofrece sus enlaces moleculares mezclándolo con un material más rígido, a través de algún reticulado. De este modo, se puede hacer materiales resistentes y a la vez poco densos. J.Vergara ICM2312
  • 41. CIENCIA DE MATERIALES Uso de compositos: algunos ejemplos  GFRP: Glass-fibre-reinforced polymer (polímero reforza- do con fibra de vidrio).  CFRP: Carbon-fibre-reinforced polymer (polímero refor- zado con fibra de carbono-grafito).  BFRP: Boron-fibre-reinforced polymer (polímero reforza- do con fibra de boro).  Polímeros llenos: polímeros mezclados con algún polvo para mejorar su resistencia.  Madera: Polímero amorfo de lignina, reforzado con fibras de celulosa. J.Vergara ICM2312
  • 42. CIENCIA DE MATERIALES Uso de compositos: algunos ejemplos 100-0 kph: 1 s / 20 m Extenso uso de GFRP en vehículos de alto rendimiento. Carrocería de menos de 500 kg. 1.4 kg de funciones J.Vergara ICM2312
  • 43. CIENCIA DE MATERIALES Uso de compositos: Estimación del Módulo Se puede estimar el rango de propiedades de un composito. Supongamos que se tiene una matriz polimérica (M) con un cierto volumen (VF) de fibras (F). Para una estimación inicial, las fibras pueden estar orienta- das de forma paralela o perpendicular. Esto determinará el Módulo de young máximo y mínimo del componente. J.Vergara ICM2312
  • 44. CIENCIA DE MATERIALES Uso de compositos: Estimación del Módulo Módulo con fibra paralela: Se asume que los materiales del composito se exponen a igual deformación (e) durante la exposición al esfuerzo o carga. s eC s = VF·sF + (1-VF)·sM s = EF·VF·eC + EM·(1-VF)·eC M Como EC = s/eC , luego: F E = VF·EF + (1-VF)·EM s Este es el Módulo E más alto que podría lograrse. J.Vergara ICM2312
  • 45. CIENCIA DE MATERIALES Uso de compositos: Estimación del Módulo Módulo con fibra perpendicular: Se asume que los materia- les del composito se exponen a iguales esfuerzos (s), y la deformación total (eC) es el promedio ponde- s rado de las deformaciones individuales. e= VF·eF + (1-VF)·sM M s = VF·sC /EF + (1-VF)·sC/EM F Como EC = s/eC , luego: EC = 1 /(VF/EF + (1-VF)/EM) s Este es el Módulo E más bajo que podría lograrse. J.Vergara ICM2312
  • 46. CIENCIA DE MATERIALES Uso de compositos: Estimación del Módulo Los compositos con una orientación anisotrópica no tienen buen desempeño cuando la carga es perpendicular. Este es el caso de la madera, según su fibra (F). EF Estimación alta Compositos EC particulados Anisotropía (isotrópicos) EM Estimación baja 0 VF 1 J.Vergara ICM2312
  • 47. CIENCIA DE MATERIALES Densidad de los sólidos La densidad refleja la masa y diámetro de los átomos de los componentes, teniendo en cuenta su factor de empaque, o la eficiencia en que se llenan los espacios interatómicos. La densidad de los metales es más alta porque los átomos que los componen son más pesados (Al, Fe, Ni, Cr, Mo, V) y porque las redes que adoptan son más compactas. Por otro lado, la de los cerámicos es intermedia, por redes menos compactas y por estructuras de pulvimateriales. Asimismo, los polímeros son los menos densos pues los enlaces son moleculares amorfos a partir de átomos livianos (H, C, O). J.Vergara ICM2312
  • 48. CIENCIA DE MATERIALES Densidad de los sólidos METALES CERAMICOS POLIMEROS COMPOSITOS 105 Metales y aleaciones r r alta Pt, W, Au Pb WC 104 Compositos Cermets Ag, Cu TiC, ZrC r media kg Fe, Aceros Zn, Ti, Al Al2O3, MgO Si3N4, SiC PTFE Cerámicos (crist.) y vidrios (amorfo) r alta Polímeros r amplia PVC m3 Be Cemento Epoxy PMMA GFRP 103 Nylon Poliestireno CFRP Polietileno Maderas Gomas 102 Espuma polimerica 101 J.Vergara ICM2312
  • 49. PROPIEDADES DE MATERIALES Ronald Ballinger, MIT, EUA, afirma que el diseño de cualquier componente o sistema, necesita el concurso de las siguientes requisitos: 1 Aplicabilidad 2 Conveniencia 3 Fabricabilidad 4 Disponibilidad 5 Economía 6 Compromiso J.Vergara ICM2312
  • 50. PROPIEDADES DE MATERIALES I) La aplicabilidad debe responder esta pregunta: ¿Funcionará el componente en cierto ambiente?. Los ambientes esperables son los siguientes: a) Mecánico b) Químico c) Térmico d) Nuclear La interacción de ambientes puede ser peor que la suma de ellos: e) a + b + c + d J.Vergara ICM2312
  • 51. PROPIEDADES DE MATERIALES Aplicabilidad: a) ambiente mecánico. a1) Historial de cargas operacional: Estático (i.e. barra pretensada en dique) Cíclico (i.e. HCF en avión) Combinadas (i.e. torsión + compresión) Elástico vs plástico a2) Cargas relativas a la fabricación: Deformación (i.e. trefilado, extrusión) Esfuerzos residuales (i.e. soldaduras) J.Vergara ICM2312
  • 52. PROPIEDADES DE MATERIALES Aplicabilidad: a) ambiente mecánico. a3) Cargas externas: Presión hidrostática Térmica estática y cíclica (i.e. TG) Impacto o pulso (i.e. colisión) a4) (In)Dependencia temporal: Creep (DT en álabes de turbina) Esfuerzos residuales. J.Vergara ICM2312
  • 53. PROPIEDADES DE MATERIALES Aplicabilidad: b) ambiente químico. b1) Compatibilidad electroquímica: Dos metales, con propiedades aptas indivi- dualmente, puede fallar en dupla (i.e. Fe-Cu) Requerirá ánodos de sacrificio. b2) Química general versus local: Ciertas zonas concentran materiales (i.e. herrumbe en la grilla de tubos de caldera puede ser 10000 veces más que global). Requerirá diseño para impedir deposición. J.Vergara ICM2312
  • 54. PROPIEDADES DE MATERIALES Aplicabilidad: b) ambiente químico. b3) Normal vs falla: Ante una falla (i.e. filtración), ácidos típicos para controlar pH, podrían alterar la concen- tración local. b4) Nominal versus real: La realidad suele ser diferente a la condición señalada en la placa (i.e. automóvil en campo vs la playa cerca de una planta a carbón). J.Vergara ICM2312
  • 55. PROPIEDADES DE MATERIALES Aplicabilidad: c) ambiente térmico. c1) Estado estacionario: (koe-(Q/RT)) Especialmente en turbomáquinas y sistemas de alta temperatura. c2) Partida y parada: Plantas térmicas (i.e. DT en tubos y placas). c3) Transientes y accidentes. Turbina de central Colbún (en San Isidro) o falla del generador en turbina eólica. J.Vergara ICM2312
  • 56. PROPIEDADES DE MATERIALES Aplicabilidad: d) ambiente nuclear. d1) Efectos sobre las propiedades mecánicas Un campo neutrónico (alta energía) equiva- le a “nano”balines que alteran la red crista- lina de un metal (crean defectos), alterando la resistencia(+), tenacidad(−) y ductilidad(−). d2) Efectos sobre las propiedades químicas Los neutrones y rayos gama descomponen agua por un instante (se vuelve oxidante). J.Vergara ICM2312
  • 57. PROPIEDADES DE MATERIALES Aplicabilidad: e) combinación de ambientes. fg Ebullición fn t sa s1 Adaptado de R. Hertzberg J.Vergara ICM2312
  • 58. PROPIEDADES DE MATERIALES II) La conveniencia tiene que ver con la experien- cia en el mercado y los costos de desarrollo. Re- quiere responder las siguientes preguntas: 1) ¿Está el material calificado para X ambiente? 2) ¿Hay datos para validar su desempeño? 3) ¿Qué información falta?, ¿es legal? 4) ¿Puede ser obtenido en costo y en tiempo? J.Vergara ICM2312
  • 59. PROPIEDADES DE MATERIALES III) La fabricabilidad se relaciona con los procesos para producir los materiales que formarán parte de un sistema. Esto incluye la elección de elemen- tos químicos, su procesamiento termomecánico y la estabilidad de fases (no todos sirven). Asimismo, el material de una pieza debe formarse con una geometría deseada. Algunas partes debe- rán ser unidas (i.e. soldadas) y maquinadas a las tolerancias deseadas. J.Vergara ICM2312
  • 60. PROPIEDADES DE MATERIALES Fabricabilidad y los procesos termomecánicos, implica responder a las siguientes preguntas: 1) ¿Pueden obtenerse las propiedades mecánicas deseadas? 2) ¿Cuanta variabilidad se puede permitir en las propiedades mecánicas resultantes? 3) ¿Puede lograrse la (electro)química deseada? 4) ¿Puede mantenerse la (electro)química desea- da?. Efectos históricos. J.Vergara ICM2312
  • 61. PROPIEDADES DE MATERIALES Fabricabilidad y la producción de componentes significa someterse a fabricación y maquinado. a) Técnicas de fabricación: 1) Soldadura: puede afectar las propiedades mecánicas. 2) Maquinado: puede inducir esfuerzos (algunos se rompen o deflectan la herramienta) b) Técnicas de unión: ¿tolera hendiduras, defec- tos y coplas?. Si se puede, ¡es mejor evitarlas! J.Vergara ICM2312
  • 62. PROPIEDADES DE MATERIALES IV) La disponibilidad se encarga de determinar la existencia natural y control de los materiales así como de la capacidad real de manufactura. ¿Está el material disponible? ¿Es la fuente confiable? (i.e. gas ruso) ¿Hay material suficiente?, ¿es reciclable? ¿A qué costo? J.Vergara ICM2312
  • 63. PROPIEDADES DE MATERIALES V) La economía determina si es rentable e incluso posible diseñar un cierto componente. ¿Cuánto cuesta producirlo hoy? ¿Cuánto costará producirlo en el futuro? ¿Vale la pena usar un material más caro? Ejemplos: la selección de un acero galvanizado vs aluminio para una torre de alta tensión. J.Vergara ICM2312
  • 64. PROPIEDADES DE MATERIALES VI) El compromiso significa ponderar los diversos factores en su mérito: 1 Aplicabilidad 2 Conveniencia 3 Fabricabilidad 4 Disponibilidad 5 Economía La selección final puede utilizar diversas técnicas y ponderaciones (AHP, curva S, etc.) J.Vergara ICM2312
  • 65. PROPIEDADES DE MATERIALES ¿Modelo coherente? Diseño Compromiso Economía J.Vergara ICM2312
  • 66. PROPIEDADES DE MATERIALES Michael Ashby, Cambridge, UK, sostiene que el diseño de un componente involucra elegir las propiedades intrínsecas de los materiales. Este es un método alternativo/complementario. Señala que el desempeño mecánico del compo- nente debe ser adecuado (i.e. resistencia). Sus propiedades no mecánicas (i.e. conductividad) y superficiales (i.e. resistencia a corrosión) deben permitirle operar en cierto ambiente. Además, debe ser económico, fabricable y atractivo. J.Vergara ICM2312
  • 67. PROPIEDADES DE MATERIALES Propiedades Intrínsecas Atribuibles Mecánicas Costo y Gruesas Disponibilidad No Mecáni- Producibilidad Diseño cas Gruesas y Manufactura Superfi- Estética y ciales Apariencia J.Vergara ICM2312
  • 68. PROPIEDADES DE MATERIALES Propiedades mecánicas gruesas (intrínsecas):  Densidad  Modulo y Amortiguación  Esfuerzo máximo  Resistencia a la tensión  Dureza superficial  Resistencia a la fatiga  Resistencia a la termofatiga  Resistencia a la termofluencia  Tenacidad a la fractura J.Vergara ICM2312
  • 69. PROPIEDADES DE MATERIALES Propiedades no mecánicas gruesas (intrínsecas):  Propiedades térmicas  Conductividad térmica  Expansión térmica  Calor específico  Punto de fusión  Calor latente  Propiedades ópticas  Propiedades magnéticas  Propiedades eléctricas J.Vergara ICM2312
  • 70. PROPIEDADES DE MATERIALES Propiedades superficiales (intrínsecas):  Oxidación (formación de óxidos en aire)  Corrosión (disolución iónico en el medio)  Fricción  Abrasión  Desgaste J.Vergara ICM2312
  • 71. PROPIEDADES DE MATERIALES Propiedades de producibilidad (atribuibles):  Facilidad de manufactura  Formabilidad  Capacidad de unión (coplas)  Soldabilidad  Capacidad de acabado  Capacidad de ser protegido J.Vergara ICM2312
  • 72. PROPIEDADES DE MATERIALES Propiedades estéticas (atribuibles):  Apariencia  Uniformidad  Color  Rugosidad  Textura J.Vergara ICM2312
  • 73. PROPIEDADES DE MATERIALES Propiedades económicas (atribuibles):  Costo  Precio actual  Precio futuro  Costo energético  Disponibilidad  Ubicuidad J.Vergara ICM2312
  • 74. PROPIEDADES DE MATERIALES Precio Au J.Vergara ICM2312
  • 75. PROPIEDADES DE MATERIALES Precio Ni J.Vergara ICM2312
  • 76. PROPIEDADES DE MATERIALES Precio Al J.Vergara ICM2312
  • 77. PROPIEDADES DE MATERIALES Precio Ti J.Vergara ICM2312
  • 78. PROPIEDADES DE MATERIALES RECURSOS Identificados No indentificados Económicos No económicos  Creciente Costo  Más Tecnología Recursos (incluye reservas) COSTO Reservas  Más prospección  Creciente Incertidumbre J.Vergara ICM2312
  • 79. CONCLUSIONES Sabemos que el diseño mecánico se subordina a la utilidad del componente o del sistema. Tal diseño involucra la selección de materiales y geometrías, aplicado a un cierto ambiente y suje- to a un procedimiento de utilización. Vimos el triángulo de materiales (tipos) y sus propiedades generales. Revisamos algunos modelos de caracterización/ ponderación de materiales de ingeniería, que nos permiten una preselección razonable. J.Vergara ICM2312
  • 80. CONCLUSIONES Conocemos dos de las propiedades (E y r) más importantes para el diseño mecánico, así como el rango de tales variables para materiales gené- ricos. Estas propiedades repercuten en la defini- ción de grandes sistemas. Veremos otras propiedades en la próxima clase, con énfasis en metales y aceros. En particular, revisaremos algunas metodologías para optimizar y seleccionar materiales para apli- caciones específicas. J.Vergara ICM2312

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