INTRODUCCION A LOSMATERIALES

cristalino

UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINOSANCHEZ CARRION

manuel_ipa@hotmail.com >

CURSO: ESTRUCTURA DE LOS METALES

Profesor: ING. Juan Manuel Ipanaqu Roa

Introduccin a los MaterialesFundamento: Los Ingenieros (Civiles, mecnicos, metalurgista,electricista, etc), tienen que ver mucho con losmateriales que disponen en nuestra vida cotidiana.

En la actualidad los materiales se disean de acuerdo auna aplicacin especfica, esto es gracias a la grancantidad de informacin disponible y a lasherramientas que permiten predecir elcomportamiento mecnico de un material.

Factores a considerar para la seleccin de unMaterial:1.-Factibilidad de fabricacin2.-Estabilidad dimensional3.-Compatibilidad con los dems materiales4.-Reciclabilidad5.-Impacto ambiental durante su fabricacin y desecho6.-Costo de fabricacin

Tipos de Materiales1.-Metles

2.-Cermicos3.-Polmeros

4.-Semiconductores5.-Vidrios

6.-Cemento y Concreto7.- Compuestos (Compsitos)

Metales Cermico Polmero Compuesto Conductores

Clases de materiales de ingeniera y su constitucin

El aspecto fundamental se debe tomar cuando se requiereproducir un componente con una geometra y propiedadesadecuadas, es el desempeo que ste tendra durante su vidatil.Para poder hacer la mejor seleccin y diseo, debemos tomar encuenta la compleja relacin entre la estructura interna delmaterial, su procesamiento y sus propiedades finales.Cuando alguno de los tres aspectos de esta relacin cambia losotros dos se ven afectados. Por lo que resulta ventajoso poderdeterminar la relacin que existe entre estos tres aspectos afin de obtener el producto requerido.

Relacin entre Estructura, Propiedades y Procesamiento

PROPIEDADESPropiedades mecnicas : stas propiedades determinan cmoresponde un material al aplicrsele una fuerza o un esfuerzo.Las propiedades ms comunes son la resistencia mecnica, laductilidad, y la rigidez del material aunque tambin sonimportantes la resistencia al impacto, resistencia a la fatiga,termofluencia y desgaste.Las propiedades mecnicas no slo determinan elcomportamiento del material en operacin, si no que influyen enla facilidad con que puede ser conformado en un producto.

Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sindeformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrarsu forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que habadeterminado su deformacin.

Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetracin. Fragilidad: Un material es frgil cuando se rompe fcilmente por la accin

de un choque. Plasticidad: Aptitud de algunos materiales slidos de adquirir

deformaciones permanentes, bajo la accin de una presin o fuerzaexterior, sin que se produzca rotura.

Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad queposeen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.

Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad detransformar algunos metales en lminas delgadas.

.Las anteriores propiedades mecnicas se valoran con exactitud medianteensayos mecnicos:.- Ensayo de traccin: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad yelasticidad de un material..- Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.- Ensayos al choque: Su prctica permite conocer la fragilidad y tenacidad deun material..- Ensayos tecnolgicos: Ponen de manifiesto las caractersticas de plasticidadque posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.

Propiedades fsicas : en stas se incluyen elcomportamiento electrnico, magntico, ptico, trmico yelstico. Las propiedades fsicas dependen tanto de laestructura como del procesamiento de los materiales.

CLASE PROPIEDAD SIMBOLO UNIDADES

GeneralMecnica

Trmica

Desgaste

CosteDensidadMdulo elsticoResistencia (fluencia, fractura)TenacidadAmortiguamientoUmbral de fatigaConductividad trmicaDifusividad trmicaCalor especficoTemperatura de fusinTemperatura de transicin vtreaCoeficiente de expansin]Constante Archard de abrasinCorrosin Velocidad de corrosin

CmEy, fKIceACpTmTgkAK

[/kg][kg/m3][GPa][MPa][MPa m1/2][-][MPa][W/mK][m2/s][J/kg K][K][K][K-1

[MPa-1][mm/ao]

PROCESAMIENTOEl procesamiento de los materiales genera la forma deseadadel componente a partir de un material uniforme.MetalesFundicinSoldaduraForjado, Trefilado, Laminado,DobladoMetalurgia de polvosMaquinado

CermicosCompactacinColada en pasta fluidaColado continuo de suspensinConformado rotatorio de pastaExtrusinMoldeo por inyeccin

PolmerosMoldeo por inyeccinMoldeo rotatorioConformadoExtrusin

VidriosMoldeo por soploExtrusin

Tcnicas para Caracterizacin de MaterialesPropiedadesTrmicasAnlisis Trmico DiferencialTemogravimetraMecnicasMquina Universal InstronElctricasEspectroscopa de ImpedanciasMagnticasSusceptmetro a.c.pticas

Fecha de introduccin materiales conocidosEvolucin y aspectos econmicos

MATERIAL APLICACIN AOAluminio (proceso Hall)Filamento de CarbnWolframio dctilInoxidable 18-8 AceroCarburo de WolframioNylon Fibras,Composites fibra de vidrioPolietileno Fibras,Diamantes industrialesSilicio (grado electrnico)TitanioFibras de grafitoPolipropilenoDiamante (CVD)Metales amorfos

Material ligeroLmparas elctricasFilamentos de bombillasresistente a corrosinHerramientas de cortetejidosCaas de pesca, estructuraslminas, botellasSper-abrasivosSemiconductoresComponentes aeronuticosFibras de alta resistenciaFibras, botellasRecubrimientosNcleos de transformadores

1880-18901880-18901910-19201910-19201920-19301930-19401940-19501940-19501950-19601950-19601950-19601960-19701960-19701980-19901980-1990

Metales

Son sustancias inorgnicas y estn compuestos de uno o mas elementos.Son combinaciones de elementos metlicosLos metales y aleaciones: acero, aluminio, magnesio, zinc, acero fundido,titanio, cobre, nquel.Tienen como caracterstica una buena conductividad tomos unidos por una nube electrnica (enlace metlico) Alta conductividad trmica y elctrica- Alta resistencia, rigidez- Ductilidad Densidad relativamente alta Materiales muy tenacesSon particularmente tiles en aplicaciones estructurales o de carga.Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedadparticularmente deseable en mayor proporcin o permiten una mejorcombinacin de propiedades.

Metales

Acero.Es una aleacin de hierro ycarbono, que puede contenerotros elementos, en la que elcontenido de carbono oscilaentre 0.1 a 1.7 %, no rebasa ellmite de su saturacin alsolidificar quedando todo l ensolucin slida.El carbono es el elementoprincipal que modifica lascaractersticas mecnicas delacero, cuanto mayor es elporcentaje de carbono mayoressern la resistencia y la durezadel acero, pero tambin serms frgil y menos dctil.

Cigeal

En el acero, adems de hierro y carbono como elementos fundamentales,intervienen elementos accidentales, entre ellos el azufre y el fsforo, que dadasu afinidad con el acero, son difciles de eliminar, no obstante se reducen aproporciones inofensivas (< 0.05 %); otros elementos facilitan la obtencin,como el silicio y el manganeso que adicionados en pequeas proporciones (0.2 a0.9 %) evitan la oxidacin del metal fundido, el resto (97.5 a 99.5%) es hierro.Los aceros con esta composicin se llaman aceros al carbono.Atendiendo al porcentaje de contenido en carbono, estos aceros suelendenominarse como se indica en el siguiente cuadro:

Aceros: Composicin Qumica.

Porcentaje de Carbono Denominacin Resistencia0.1 a 0.2 Aceros extrasuaves 38 - 48 Kg / mm2

0.2 a 0.3 Aceros suaves 48 - 55 Kg / mm2

0.3 a 0.4 Aceros semisuaves 55 - 62 Kg / mm2

0.4 a 0.5 Aceros semiduros 62 - 70 Kg / mm2

0.5 a 0.6 Aceros duros 70 - 75 Kg / mm2

0.6 a 0.7 Aceros extraduros 75 - 80 Kg / mm2

Adems de los elementos de los aceros al carbono, tienen adicionadoselementos como: cromo, nquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., laadicin de tales elementos modifica o mejora las propiedades delacero. Los efectos que proporciona cada uno de los elementos son los

siguientes:

Aceros Aleados y Especiales.

Azufre.Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un0.05 %, en caliente produce una gran fragilidad del acero, sus efectosperjudiciales pueden neutralizarse en parte con la adicin del manganeso, quese combina con l formando sulfuro de manganeso.A veces se adiciona en proporciones de 0.1 a 0.3 % con un contenido mnimo demanganeso de 0.6 %, dando lugar a aceros llamados de fcil mecanizacin, quetienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con velocidades decorte doble que un acero corriente.

Cobalto.Se usa en los aceros rpidos para herramientas, aumenta la dureza de laherramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumentalas propiedades magnticas de los aceros.Cromo.Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza, resistencia ytenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos,proporciona a los aceros caractersticas de inoxidables y refractarios.Manganeso.Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de losaceros.Molibdeno.Junto con el carbono es el elemento ms eficaz para endurecer el acero.Evita la fragilidad.Nquel.Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidadproporciona una gran resistencia a la corrosin.

Plomo.El plomo no se combina con el acero, se encuentra en l en forma depequesimos glbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece lafcil mecanizacin por arranque de viruta, (torneado, cepillado,taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, elporcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido decarbono a valores inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templadoy disminuye la tenacidad en caliente.Silicio.Se emplea como desoxidante en la obtencin de los aceros, adems lesproporciona elasticidad. Si la proporcin es elevada (1 a 5%) los acerostienen buenas caractersticas magnticas.

Tungsteno.Forma con el hierro carburos muy complejos estables ydursimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajesdel 14 al 18 %, proporciona aceros rpidos con los que es posibletriplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono paraherramientas.Vanadio.Posee una enrgica accin desoxidante y forma carburoscomplejos con el hierro, que proporcionan al acero una buenaresistencia a la fatiga, traccin y poder cortante en los acerospara herramientas.Toda esta informacin es slo la punta del iceberg respecto a losaceros, sin embargo es ms que suficiente material de estudiopara un captulo. En la prxima entrega, tendremos locorrespondiente a fundiciones, ferroaleaciones, aleacionesfrreas especiales y conglomerados frreos.

Los Aceros de Aleacin especiales

Son los AcerosInoxidables y aquellos conun contenido de cromo ynquel generalmentesuperior al 12%.Estos aceros de grandureza y alta resistenciaa las altas temperaturas ya la corrosin, se empleanen turbinas de vapor,engranajes, ejescigeales, otros ejes yrodamientos.

ALEACIONES DE ACEROS- CROMO- NIQUEL

Descripcin: Se utilizaen bujes de balerospara cremalleras,cajas de velocidades,etc.Propiedades: Es unacero no muy duro, eselstico, inoxidable ytiene un 8% de nquely un 18% de cromo yuna resistencia a altastemperaturas

ACEROS AL CROMO-NQUEL MOLIBDENO

Son aceros de muy buenacaracterstica mecnica.Debido a sus buenaspropiedades mecnicas,han reemplazadopermanentemente a otrasaleaciones.Un ejemplo de muchaaplicacin es el que tiene

C Cr Ni Mo0,15 - 0,2% 1 1,25% 4 % 0,5%

ACEROS AL CROMO-MOLIBDENO

El molibdeno comunicauna gran penetracindel temple en losaceros;Se emplean cada vezms en construccin,tendiendo a lasustitucin del aceroal nquel.De los tipos mscorrientes tenemos losde carbono 0,10% ,cromo 1% y molibdeno0,2% y el de carbono0,3%, cromo 1% ymolibdeno 0,2%.

Cigeal

Es una aleacin de hierro y de carbono, pudiendo contener otroselementos , estando el carbono en una proporcin superior al 1. 76 %(generalmente de 2 a 5 %), valor que constituye el lmite de saturacin enla solidificacin , formndose en tal momento los constituyentes decarburo de hierro y grafito libre adems del hierro.Temperatura: (1100C 1300C) < T del AceroFe3C: carburo de hierro o Cementita: es un compuesto metaestable y bajocierta condiciones se descompone en ferrita y grafitoFe3C 3Fe() + C (grafito)

Fundicin (Fe3C: carburo de hierro o Cementita)

Si Mn S P2 - 5% 2 4% 1 % 0 1.5%

Las caractersticas de una fundicin no slo dependen de sucomposicin qumica, sino tambin del proceso de elaboracin, ambascosas determinan la forma de presentarse el carbono (combinado,en forma de grafito laminar, esferoidal, etc.)Se distinguen dos grandes grupos de fundiciones: Ordinarias, constituidas por hierro, carbono y pequeas

impurezas y Las especiales que adems de lo anterior, contienen uno o varios

elementos que modifican sus caractersticas.Las fundiciones ordinarias se pueden clasificar por el aspecto de sufractura distinguindose las cuatro siguientes: Fundiciones negras Fundiciones grises Fundiciones blancas Fundiciones atruchadas

Clasificacin de las Fundiciones.

Fundiciones negras son aquellas que presentan facetas negrasbrillantes, muy desarrolladas, formadas por cristales de grafito, sugrano grueso.Las fundiciones grises tienen un aspecto color gris brillante congrano fino. Estas fundiciones contienen el carbono en estadograftico repartido en finas laminas por entre la masa de hierro. Lafundicin gris se emplea para, la mayora de las piezas mecnicas quehan de servir de soporte o de alojamiento de los mecanismos.En las fundiciones blancas, el carbono esta completamentecombinado con el hierro, formando carburo de hierro (cementita) quees un constituyente muy duro, pero frgil.Fundiciones atruchadas, son intermedias entre la blanca y la gris,poseen propiedades intermedias entre ambas fundiciones y sufractura presenta ambos colores caractersticos.

Fundicin maleableEs la obtenida a partir de una fundicin blanca mediante eladecuado tratamiento trmico, adquiriendo una aceptablemaleabilidad.Fundiciones nodularesEn estas fundiciones el grafito solidifica en forma de pequeasesferas, gracias a la adicin de elementos tales como el cerio yel magnesio, con lo cual aumenta considerablemente suresistencia a la traccin.Fundiciones especiales.Son fundiciones especiales aleadas con otros elementos talescomo Mn, Cr, Mo, Ni, Cu, etc. Logrando propiedadesdeterminadas: alta resistencia a la traccin, al desgaste, a lasaltas temperaturas, a la corrosin, etc.

Son productos siderrgicos que, sin tener necesariamente un marcadocarcter metlico, contiene adems del hierro uno o varios elementos(metales o metaloides) que los caracterizan.Las ferroaleaciones encuentran su empleo en la metalurgia para lafabricacin de aceros que han de responder a ciertas condiciones, as: Ferromanganesos que se utilizan en la obtencin de aceros al

manganeso Ferrocromos que se emplean en la obtencin de aceros al cromo Ferrosilicios utilizados en la obtencin de aceros al silicio. Ferrotungstenos sirven para la obtencin de aceros rpidos para

herramientas y aceros para imanes. Ferrovanadios y ferromolibdenos que se emplean para la fabricacin

de aceros al vanadio y al molibdeno, respectivamente, etc.

Ferroaleaciones

rbol de LevaMotor de Combustin Interna

Materiales Cermicos

Materiales Cermicos .Cermico Cerami (kerami: material quemado) .Son materiales inorgnicos que presentan enlaces atmicos de tipo inico ycovalente, los cuales les inducen sus propiedades caractersticas. El uso de lascermicas se observa desde las ms tempranas civilizaciones, comoCermicas basadas en arcillas.Caractersticas de los materiales cermicos Los materiales cermicos tienen baja ductilidad, baja dureza puntos de fusin altos, debido a los enlaces que presentan. Generalmente son xidos o carburos Muy baja conductividad elctrica Densidad relativamente baja Materiales muy frgiles

Grafito (C)

Zirconia (ZrO2)Porcelana

Familias de materiales Cermicas

Clasificacin de los materiales cermicosCermicas tradicionalesNuevas cermicas

Elaboracin de materiales cermicosSntesis por tcnicas normales de estado slido Altas temperaturas Partculas grandes (defectos y huecos) Prdida de material o de oxgeno por las altas temperaturas

Nuevos mtodos Espurreo Depsito de vapor qumico Sntesis hidrotrmica Descomposicin trmica de precipitados Sol-gel

Cermicas TradicionalesUna cermica tradicional es una mezcla de xidos yarcillas cuyo proceso de aglutinamiento se realiza a altastemperaturas.

Arcillas (almino-silicatos), feldespato, slice.AplicacionesProductos de la industria alfarera y de la construccin:Recipientes y productos de barro, lozas, vajillas,porcelanas, tejas, ladrillos y aisladores elctricos.

Nuevas cermicasSuperconductores, materiales resistentes al calor, carburos,nitruros, grafito, componentes de motores, cementos,cermets, (cermicos en una matrz metlica), vidrio ycermica vtrea.

Almina densa SiC, Si3N4

ZrO2+ aditivos

Cermicas de Alta Tecnologa

Dielctricos: Partes y componentes elctricasFerroelctricos: Componentes electrnicos, capacitoresPiezoelctricos: Componentes e:lectrnicasSemiconductores: Componentes electrnicas

refrigeradores de estado slidoSuperconductores: Cermicos a base de Cu, YBCOs

BISCCOsPartes automotrices: Cubiertas y placas de motoresCatalizadores: Industria automotriz

Aplicaciones de las Cermicas de Alta Tecnologa

Lneas de Investigacin EAP. Metalurgica - UNJFSCMateriales Cermicos

Materiales electrocermicosSemiconductores, electrolitos slidos, ferroelctricos,piezoelctricos, piroelctricos(dielctricos)

Cermicas magnticas Superconductores Varistores Cermicas electro-pticas Cermicas estructurales (nitruros, boruros y carburos)Componentes para celdas de combustible Biocermicas

FIN

Slide50Introduccin a los MaterialesFactores a considerar para la seleccin de un Material:Tipos de MaterialesClases de materiales de ingeniera y su constitucinSlide65Slide3PROPIEDADESSlide74Slide93Slide56Slide73Slide57Slide58Slide72MetalesSlide70Acero. Slide76Slide77 Adems de los elementos de los aceros al carbono, tienen adicionados elementos como: cromo, nquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adicin de tales elementos modifica o mejora las propiedades del acero. Los efectos que proporciona cada uno de los elementos son los siguientes: Slide80Slide81Slide82Los Aceros de Aleacin especialesALEACIONES DE ACEROS- CROMO- NIQUEL ACEROS AL CROMO-NQUEL MOLIBDENO ACEROS AL CROMO-MOLIBDENO Slide83Slide84Slide85Slide86Slide87Slide88Materiales CermicosMateriales Cermicos . Slide71Slide6Slide66Slide67Slide68Slide69Slide28