Assaig de materials. Tecnologia industrial I

1. 1. Assaig de materials
2. Ferro i aliatges fèrrics
3. Metalls no fèrrics
4. Ceràmics
5. Plàstics
6. Tèxtils
7. Fusta
8. Materials compostos
9. Exercicis
Tecnologia Industrial
Materials

2. 2
Història
Pedra,ívory,banyes
Fusta
3500Metal·lúrgiadelcoure
3000Cocciódel’argila
2000Bronzeperarmes
1400FerroHitites
1300Acer
1000VidreGrèciaiSiria
20Mètoded’obtenciódelformigó-Roma
50Tècniquesdebufatdelvidre-Fenicia

3. 31450CristallAngeloBarovier
700PorcellanaXina
1590LentsdevidrePaisosBaixos
1738Producciódezincperdestil·laciódelcarbóWilliamChampion
1799BateriaelèctricaAlessandroVolta
1824CimentPortlandJosephAspin
1825Aluminimetàl·licHansChristianOrsted
1839VulcanitzaciódelcautxúCharlesGoodyear
1855ProcésBessemerperlaproducciód’acer
1883PlaquesfotovoltàiquesCharlesFritts
1863Cel·luloideJohnWesleyHyatt
Història

4. 4
1911Descobrimentdelasuperconductivitat
1931NeopréJuliusNieuwland
NylonWallaceCarothers
1938TeflóRoyPlunkett
1947Primertransistordegermani
19546%eficiènciaenplaques
fotovoltàiquesLaboratorisBell
1970FibraòpticaCorning
1980Acerinoxidable
1985FullerenoUniversitatdeRice
1986Superconductord’altatemperaturaGeorgBednorz
1907BaquelitaLeoBaekelandPrimerpolímertermoestable
2010 Grafé Geim & Novoselov
Bioled Universitat de Erlangen-Nürnberg
Seda d’aranya artificial Johanson
& Rising
Conductor elàstic imprimible
Takao Someya. Univ. Tokio
Cristalls optomecànics de silici
Clivia Sotomayor
2011 Shrilk Universitat de Harvard
Carbino
Biomaterials
2011 Aerografé Universitat de Zheijiang
Estané
Fosforeno
Antimoneno
Upsalita Universitat de Uppsala
Materials semiconductors
Materials nanoporosos
Materials topològics
Nanoestructures de carboni
Metamaterials
... (continúa)
Història

5. 5
6 december 2019 Metamaterials Johannes T. B. Overvelde Universitat d’Eindhoven
Exploring multistability in prismatic metamaterials through local actuation
Història
Article sencer: https://www.nature.com/articles/s41467-019-13319-7
Nou material que canvia de tamany, volum i forma inspirat en l’origami pot canviar la forma de
construir en el futur.

6. 6
Ciència de materials
Estudi de la relació entre
estructura i propietats
Disseny de
nous materials
Estructura
Materials Propietats
Investigació
Aplicacions
Enginyeria
de materials
A partir de:
• Estructura
• Propietats
• Processament
Propietats

7. 7
Estructura
1. La distribució dels electrons per òrbites i capes determina el
comportament i tipus d’enllaç dels elements.
2. Cada electró pot canviar de capa guanyant o perdent energia.
3. Els àtoms tendeixen a tenir els electrons en capes baixes i omplint la
capa exterior (capa de valència) amb 8 electrons.
4. Per aconseguir-ho, guanyen, perden o comparteixen electrons...
https://www.lifeder.com/orbitales-atomicos/

8. 8
Estructura
Metall + No metall
...guanyen, perden o comparteixen electrons.
No metall + No metall Metall + Metall
enllaç IÒNIC
Transferència d’e-
Durs, fràgils i aïllants
enllaç COVALENT
Compartició d’e-
Propietats diverses
enllaç METÀL·LIC
Estructura rígida d’ions.
Núvol d’e-
Conductors elèctrics i tèrmics

9. 9
Estats
Fluids: S’adapten a la forma del recipient.
Gas: Compressible.
Líquid: Incompressible.

10. 10
Estat sòlid Xarxes de
Bravais

11. 11
Estat sòlid
Dislocació de la xarxa cristal·lina
Enduriment de metalls:
 Disminució de la mida del gra.
 Formació de solucions sòlides.
 Deformació en fred.

12. 12
Dislocació de la xarxa cristal·lina
Enduriment de metalls:
 Disminució de la mida del gra.
 Formació de solucions sòlides.
 Deformació en fred.

13. 13
Propietats
MECÀNIQUES
Mòdul d’elasticitat
Límit elàstic
Resistència
Fatiga
Duresa
Tenacitat
QUÍMIQUES
Resistència a la corrosió
Resistència a l’oxidació
Reactivitat
FÍSIQUES
Densitat
Propietats elèctriques
Propietats tèrmiques
Propietats magnètiques
Propietats òptiques
ECONÒMIQUES
Preu
Disponibilitat
...
de FABRICACIÓ
Mal·leabilitat
Ductilitat
Forjabilitat
Maquinabilitat
...
ESTÈTIQUES
Aspecte
Color
Olor
Textura
...
Propietatsintrínseques
Propietatsextrínseques
DISSENY
Materials

14. 14
Propietats Mecàniques
MECÀNIQUES
Mòdul d’elasticitat
Límit elàstic
Resistència
Fatiga
Duresa
Tenacitat
→ Estudiades sobre sòlids.
→ Les ACCIONS generen ESFORÇOS a causa de les forces de cohesió.
→ Mesurades mitjançant Assaig.
→ Estudiades a Resistència de Materials
Resistència Mecànica: Capacitat d’un material per suportar esforços sense deformar-se o trencar-se.

15. 15
Propietats Mecàniques: Esforços Axials
→ Mòdul d’elasticitat
→ Coeficient de Poisson
→ Resistència: Secció gran
→ Esveltesa  vinclament
COMPRESIÓ TRACCIÓ
𝜎 =
𝐹
𝐴
𝛔 , tensió axial [Pa]
F, força [N]
A, àrea [m2]
→ Mòdul d’elasticitat
→ Coeficient de Poisson
→ Resistència: Secció gran

16. 16
→ Combinació de tracció i
compressió.
→ Línia neutra.
→ Resistència: Cantell gran i
llum petita.
FLEXIÓ
TALLANT
𝝉, tensió normal [Pa]
F, força [N]
A, àrea [m2]
→ Poca deformació prèvia.
→ Resistència: Secció gran.
𝜏 =
𝐹
𝐴
Propietats Mecàniques: Esforços Normals

17. 17
TORSIÓ
→ Deformació en espiral.
→ Resistència: Secció gran.
Propietats Mecàniques: Esforços Tangencials

18. Models de deformació:
• Elàstica (temporal)
• Plàstica (permanent)
Models de deformació i comportament mecànic
Comportament mecànic:
• Dúctil (molta deformació abans de trencar-se)
• Fràgil (poca o cap deformació abans de trencar-se)
L’estructura interna del material...
...determina les propietats...
...que es mesuren amb assajos...
• Destructius
• No destructius

19. 19
Assaig
COMPRESIÓ TRACCIÓ
𝜎 =
𝐹
𝐴
𝛔 , tensió axial [Pa]
F, força [N]
A, àrea [m2]

20. 20
Assaig de tracció
OB Zona elàstica
BE Zona plàstica
BC Fluència
CD Enduriment
DE Estricció
𝜀 =
∆𝐿
𝐿0
𝜎 𝑡𝑟𝑒𝑏𝑎𝑙𝑙 =
𝜎𝑒
𝑛
E, Mòdul d’elasticitat
ε, Deformació unitària
σ, Tensió unitària
ε =
𝜎 𝑝
𝐸
σ =
𝐹
𝑆
Resultat de l’assaig, expressa les característiques mecàniques del materialDiagrama de tracció
Límit elàstic teòric / pràctic
Coeficient de seguretat
Tensió de trencament
Tensió de treball
Tenacitat

21. Assaig de duresa
10. Diamant
9. Corindó
8. Topaci
7. Quars
Acer
Vidre
6. Ortoclasa
Fulla ganivet
5. Apatit
Ferro
4. Fluorita
3. Calcita
Coure
Ungla
2. Guix
1. Talc
https://geologiaweb.com/minerales/escala-de-mohs/
Escala de Mohs
Assaig al ratllat
Assaig Brinnell
Assaig a la penetració
220 HB 10 3000 15
Duresa - Assaig Brinnell – D [mm] - F [N] – t [s]
𝐴
=
𝜋·𝑑1(𝑑1−𝑑1
2
−𝑑2
2
2
HB= 0,102 ·
𝐹
𝐴
HB, duresa Brinnell [ ]
F, força [N]
A, àrea petjada [mm2]
𝜎 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó = 3,45· HB(Acers: )

22. Assaig de tenacitat
Tenacitat: Resistència al xoc.
Resiliència: Energia necessària per
trencar un material d’un sol cop.
KCV =
𝐸 𝑐
𝐴
KCV o KCU, resiliència [J/ mm2]
Ec, energia consumida [J]
A, secció de trencament [mm2]
Pèndol de Charpy
Assaig de tenacitat
Maça
22 kg
Enclusa
Escala
Proveta h1
h2

23. Assaig de fatiga
Sèries d’esforços alternatius en sentits oposats: Fatiga
2 tipus de comportament.
Límit de fatiga (asímptota).
Càlcul:
a) n cicles  esforç màxim (resistència a la fatiga)
b) esforç màxim  n cicles (vida a la fatiga)
Diagrama de Wohler
Assaig de fatiga per flexió rotativa

24. Assaig de fatiga

25. Assajos no destructius
Magnètics
Basats en la permeabilitat magnètica
Materials ferromagnètics
Components:
 Arc generador de pulsos
 Revelador fluorescent
UltrasonsRaigs X i gamma
Basats en el pas de la radiació
Materials no ferromagnètics
Components:
 Emissor de radiacions
 Placa fotogràfica
Emissió d’ultrasons (f>20,000 Hz)
i mesura del temps de retorn.
Components:
 Emissor d’ultrasons
 Receptor. Lector del temps
d’eco.

26. 26
Propietats tèrmiques
Conductivitat DilatacióPotència tèrmica
Q = λ
𝐴·𝑡·∆𝑇
𝐿
Q, calor transmès [J]
λ, conductivitat tèrmica [W · m-1 · ºC-1]
A, secció de contacte [mm2]
t, temps [s]
ΔT, salt tèrmic [ºC]
L, llargada [m]
Pt =
𝑄
𝑡
Pt, potència tèrmica [W]
Q, calor transmès [J]
t, temps [s]
Lf = L0+α· L0(Tf- T0)
L0, longitud inicial [m]
Lf, longitud final [m]
T0, temperatura inicial [ºC]
Tf, temperatura final [ºC]
α, coeficient de dilatació lineal [ºC-1]

27. 27
Tipus
Metal·lics
Polimèrics
CeràmicsNo fèrricsFèrrics
SemiconductorsCompostos

28. Curs 2020/21
Institut de Sentmenat
PedroLorenzo
plorenzo@xtec.cat
Tecnologia Industrial
MATERIALS