Pptmanes12+ +unidad+4+manipulando+las+propiedades

This lecture unit is part of a set created by Mike Ashby to help introduce students to materials, processes and rational selection.

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Mike AshbyHugh ShercliffDepartment of EngineeringUniversity of Cambridge

www.grantadesign.com/education/resources

© M. F. Ashby, H.R. Shercliff, 2011For reproduction guidance see back page

Unidad 4. Manipulando las

propiedades vía: química, microestructura, configuración

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www.grantadesign.com/education/resourcesM. F. Ashby & H.R. Shercliff, 2011

Reseña

Fuentes: • Libro: “Materials: engineering, science, processing and design” 2a Edición por M.F. Ashby, H.R. Shercliff y D. Cebon, Butterworth Heinemann, Oxford 2010, Capítulo 19.

• Libro: Callister, Budinski, Askeland and others – lectura recomendada

• Software: CES EduPack 2011 (Grantadesign.com)

• Transparencias Powerpoint: Unidad 3 Base de Datos CES EduPack Elementos

Motivación: Necesidad de entender:

el origen de las propiedades de los materiales y cómo modificarlas.

Para explicar el origen y las modificaciones de las propiedades se utilizan: Módulo de Young y densidad Resistencia y tenacidad Coeficiente de expansión térmica y conductividad



Elementos-densidad

• Hay 96 elementos puros disponibles. ¿Cómo combinarlos para crear materiales para ingeniería?

Densidad

20.000

Rango

1.000

Gráfico realizado con CES EduPack'10 Elementos . Versión no disponible en castellano



Elementos- Módulo de Young

Gráfico realizado con CES EduPack'10 Elementos . Versión no disponible en castellano

Módulo de Young

1

1.000

Rango



Origen: densidad y módulo de Young

Densidad: peso atómico y factor de empaquetamiento Módulo de Young: fuerzas intermoleculares y factor de empaquetamiento



Materiales: módulo de Young- densidad

20.0001.000

1.000

1



Materiales compuestos:Configuración –Componentes,

Capas

Manipulando las propiedades: módulo de Young-densidad

Química, microestructura y configuración Materiales cristalinos:

Química – enlace metálico

frente a enlace iónico/covalente.

Pequeñas burbujas-Comportamiento similar al de los

elementos

Polímeros y elastómeros:Química – Cadenas poliméricas unidas

por puentes de hidrógeno.

Microestructura – Entrecruzamiento y

cristalinidad

Espumas:Configuración –

estructura celular



Control del módulo de Young vía química y microestructura

Enlaces y empaquetamiento

Compuestos inorgánicos

óxidos, nitruros, carburos, compuestos intermetálicos

Compuestos orgánicos

Termoplásticos, termoestables y elastómeros

estructuras poliméricas



Materiales cristalinos:

Química – enlace metálico frente a enlace

iónico/covalente.

Pequeñas burbujas-Comportamiento similar al de los

elementos


Química y microestructura

Polímeros y elastómeros:Química – Cadenas poliméricas unidas

por puentes de hidrógeno.

Microestructura – Entrecruzamiento y

cristalinidad



Control del módulo de Young vía configuración

Materiales compuestos: “híbridos formados por dos sólidos”

Límite superior : Eu

Límite inferior : El

CFRP

GFRP



Control del módulo de Young vía configuración

Espumas: “híbridos formados por un sólido y aire”

Espuma cerámica

Espuma metálica 2

sólido

espuma

sólido

espumaρ

ρE

E

~~



Materiales compuestos:Configuración–Componentes,

Capas


Configuración


estructura celular



Sumario

• El módulo de Young y la densidad se pueden predecir a partir de su estructura cristalina – Modificación vía Química

Configuración

• Vía química - componentes con alta o baja energía libre de formación

• Vía configuración – Escala desde mm a micras para mejorar las propiedades físicas

óxidos, nitruros, carburos, compuestos

intermetálicos

Puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals en

polímeros

Estructuras

flexibles - EspumasEstructuras reforzadas – materiales compuestos



Manipulando las propiedades: resistencia

Metales y cerámicas:

Microestructura: tratamientos

térmicos y mecánicos

Polímeros y elastómeros:

Química: entrecruzamiento y ramificación

de cadenas

Espumas:Configuración:

Estructura celular

MaterialescompuestosConfiguración:Componentes

y Capas

Química, microestructura y configuración



Profundizando en la resistencia

Metales: mecanismos de endurecimiento-bloqueo del movimiento de las dislocaciones

Endurecimiento por solución sólida

(Química)

Endurecimiento por precipitación

(Microestructura)

Endurecimiento por deformación

(Microestructura)



Control de las propiedades vía química y microestructura

Ejemplos:

Aleaciones de aluminio (endurecimiento por envejecimiento)

Acero al carbono y aceros aleados(Temple y revenido)

Metales: Endurecimiento por precipitación



control vía química y microestructura

Al -Cu 2024

Al -Si S413

Aleaciones de aluminio: endurecimiento por solución sólida, precipitación y deformación



Control vía química: aceros

Ferrita + perlita

Aceros: resistencia, tenacidad y contenido en carbono



Control vía microestructura: aceros

Normalizado (ferrita + perlita)

Aceros aleados-Temple

(martensita)

Aceros: Cambios en la microestructura para una composición constante



Química y microestructura: aceros

Aceros: Sumario de composición + procesos



Química, microestructura y configuración: polímeros

Polímeros: (PP) tenacidad a fractura-módulo de Young: Evolución con la composición



Química y microestructura : aleaciones de cobre

Aleaciones de cobre: Evolución de las propiedades con la composición y el procesado

Soluto: Mayor

resistividad eléctrica

70-30 Latón (C26000)

Cobre - berilio(C17510)

Endurecimiento por

precipitación:Mayor resistencia



Sumario

• La resistencia y la tenacidad dependen de la estructura del material - Modificación vía Química

Microestructura Configuración

• Vía química – endurecimiento por solución sólida

• Vía configuración– Escala desde mm a micras para mejorar las propiedades físicas

• Vía microestructura– -tratamientos térmicos y mecánicos

Latones, bronces, acero inoxidable

Temple, revenido (aceros)Temple, envejecimiento (Aleaciones de aluminio)

Deformación (forja, laminado,embutición)

Estructuras reforzadas- materiales compuestos

Estructuras celulares- espumas



Propiedades térmicas: coeficiente de expansión térmica y conductividad

Metales y cerámicas:

Alta conductividad,

baja expansión

Polímeros y elastómeros:

Baja conductividad, alta expansión



Origen del coeficiente de expansión térmica y conductividad

Fuerzas intermoleculares no lineares causan la

expansión

Coeficiente de expansión térmica

Dispersión de electrones, fonones limitan la conductividad

Conductividad térmica



Control vía química, microestructura y configuración


el gas contenido reduce la

conductividad

Metales altamente aleados :

Química : Los solutos reducen la

conductividad

InvarQuímica:

transformación magnética

Polímeros y elastómeros: Las estructuras

amorfas dispersan los

fonones



Sumario

• El coeficiente de expansión térmica y la conductividad térmica se pueden modificar vía química y configuración

• Vía química – introduciendo puntos de dispersión – introduciendo transformaciones de fase

• Vía configuración – conductividad, introduciendo barreras térmicas – expansión, aumento o disminución con termopares

solución sólida – aceros inoxidables

Contracción por pérdida de magnetismoEspumas –gas

Actuadores bimetálicos

Termoelementos compensados



Resumen

Modelo de enseñanza de materiales basado en el diseño:- Explota los mapas de propiedades para la selección de materiales - Estudia el origen microestructural de las propiedades

Estudio de las propiedades de los materiales:- Profundizar en las propiedades que se pueden manipular- Concepto fundamental: “Composición + Procesado Microestructura + Propiedades”

Mapas de propiedades:- Representación gráfica de la evolución de las propiedades con la composición y el procesado- Aplicable a todo tipo de materiales: metales, polímeros, espumas, materiales compuestos...



Fin de la Unidad 4



Serie completa de unidades

Las presentaciones de cada unidad están disponibles en la web de Recursos docentes

Cada transparencia contiene notas explicativas. Se pueden consultar abriendo la vista de Notas o bien pulsando en el botón de la barra de herramientas inferior de PowerPoint



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© M. F. Ashby, 2011

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Este recurso es parte de una serie de lecciones creadas por Mike Ashby para introducir a los estudiantes en el diseño y selección de materiales .

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AutorMike AshbyUniversidad de Cambridge, Granta Design Ltd.www.grantadesign.comwww.eng.cam.ac.uk

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