Los materiales para ingeniería - materias.fi.uba.armaterias.fi.uba.ar/7213/CLASE1CESEDUPACKMATERIALESII.pdf · Aprender materiales en ingeniería Los ingenieros desarrollan productos

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 AshbyDepartment of EngineeringUniversity of Cambridge

www.grantadesign.com/education/resources

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Los materiales para ingeniería

www.grantadesign.com/education/resourcesM. F. Ashby, 2011

Aprender materiales en ingeniería

� Los ingenieros desarrollan productos hechos de materiales y usando procesos.

El punto de partida

� CES EduPack: es una herramienta para conseguirlo

una herramienta para uso profesional(como CAD )

� ¿Qué necesitan saber?

• Perspectiva general del mundo de los materiales y procesos

� Habilidad para seleccionar la mejor opción

� Información y herramientas

� Entender las propiedades de los materiales


Ingeniería mecánica

Cerámicas,vidrios

Híbridos, Materialescompuestos

Polímeros,elastómeros

Metales,aleaciones


Ingeniería aeroespacial y motores de competición



Metales,aleaciones

Cerámicas,vidrios


Ingeniería civil y arquitectura



Metales,aleaciones

Cerámicas,vidrios


Bioingeniería

Cerámicas,vidrios


Metales,aleaciones

Híbridos, Materiales compuestos


Diseño industrial y de productos



Metales,aleaciones

Cerámicas,vidrios


Base de

datos

Tabla de datos de Fabricantes

Tabla de datos Referencias

Conexiones

Estructura de la base de datos CES EduPack

Selección por

links

Tabla de datos de Materiales

DATOS PARA

� Metales y

aleaciones

� Polímeros

� Cerámicas y vidrios

� Híbridos

Tabla de datos de Procesos

DATOS PARA

� Unión

� Conformado

� Tratamiento superficial

Selección por

propiedades de

materiales

Selección por

propiedades de

procesos


Estructura de la información: ÁRBOL DE MATERIALES

Información

estructurada

Información no

estructurada

Archivo de materiales

Propiedades

Al 6463Density

Mechanical props.

Thermal props.

Electrical props.

Optical props.

Corrosion props.

Documentation

-- specific

-- general

Al 6463Density

Mechanical props.

Thermal props.

Electrical props.

Optical props.

Corrosion props.

Documentation

-- specific

-- general

Al 6060Density

Mechanical props.

Thermal props.

Electrical props.

Optical props.

Corrosion props.

Documentation

-- specific

-- general

Al 6060Density

Mechanical props.

Thermal props.

Electrical props.

Optical props.

Corrosion props.

Documentation

-- specific

-- general

Al 6061Densidad

Prop. mecánicas

Prop. térmicas

Prop. eléctricas

Prop. ópticas

Prop. corrosión

Documentación

-- específica

-- general

Al 6061Densidad

Prop. mecánicas

Prop. térmicas

Prop. eléctricas

Prop. ópticas

Prop. corrosión

Documentación

-- específica

-- general

Universo

Tabla de datos

Materiales

Miembro

1000

2000300040005000600070008000

Clase

Aceros

Aleaciones Cu

Aleaciones Al

Aleaciones Ti

Aleaciones Ni

Aleaciones Zn

Familia

• Cerámicasy vidrios

• Metales yaleaciones

• Polímeros y elastómeros

• Híbridos


Información estructurada para ABS*

Propiedades generalesDensidad 1.01 - 1.21 Mg/m^3Precio 2.36 - 2.6 US $/kg

Propiedades mecánicas Módulo de Young 1.1 - 2.9 GPaLímite elástico 18.5 - 51 MPaResistencia tracción 27.6 - 55.2 MPaElongación 1.5 - 100 %Dureza - Vickers 5.6 - 15.3 HVResistencia a fatiga 11 - 22.1 MPaTenacidad a fractura 1.19 - 4.29 MPa.m1/2

Propiedades térmicasTemp. Máx de Servicio 61.9 - 76.9 °CExpansion térmica 84.6 - 234 µst/°CCalor específico 1390 - 1920 J/kg.°CConductividad térmica 0.188- 0.335 W/m.°C

Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS)

Propiedades eléctricas¿Conductor o aislante? Buen aislante

Propiedades ópticas¿Transparente u opaco? Opaco

Resistencia a la corrosiónInflamabilidad Altamente inflamableAgua dulce ExcelenteOxidación a 450°C InaceptableAgua salada ExcelenteÁcidos fuertes ExcelenteBases fuertes ExcelenteRadiación UV Mala

*Usando CES EduPack Nivel 2 de la Base de datos

+ Conectado a Procesos


Información no estructurada para ABS*

Material. El ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno) es fuerte, tenaz y fácil de moldear. Por lo general es opaco, aunque algunos grados actuales son transparentes, y se le puede dar colores vivos. Las aleaciones ABS-PVC son más tenaces que el ABS estándar y, en algunos grados, auto-extinguibles, se utilizan para carcasas de herramientas de potencia.

Líneas de diseño. El ABS tiene la mayor resistencia a impacto de todos los polímeros. Se colorea con facilidad. Acabados metálicos Integrales son posibles (como en el de GE Plastics Magix). El ABS es resistente a la radiación UV para aplicaciones al aire libre si se añaden estabilizantes. Es higroscópico por lo que puede ser necesario secarlo en horno antes de usarlo y pueden ser dañados por el petróleo, y los aceites de mecanizado.

ABS puede ser extruido, moldeados por compresión o formados en lámina para luego termo-formar a vacío. Se pueden unir por soldadura de ultrasonidos o por placa en caliente, o en condiciones de servidumbre con poliéster, epoxy, isocianato, nitrilo o adhesivos fenólicos.

Aspectos técnicos. El ABS es un tri-polímero (conseguido al copolimerizar 3 monómeros: acrilonitrilo butadieno y estireno). El acrilonitrilo proporciona resistencia térmica y química, el caucho de butadieno da la ductilidad y la fuerza, mientras que el estireno da una superficie brillante, facilidad de mecanización y menor coste. En el ASA, el componente de butadieno (que da una pobre resistencia a los UV) se sustituye por un éster acrílico. Sin la adición de butilo, el ABS se convierte en SAN (un material similar, con menor resistencia al impacto y tenacidad).

Usos típicos. Cascos de seguridad, material de acampada, paneles de instrumentos y equipamiento interior de automóvil, accesorios de tuberías, seguridad domestica, cubiertas de pequeños electrodomésticos, equipos de comunicación, máquinas de oficina, fontanería, rejillas y tapacubos de coche.

Aspectos medio ambientales. El monómero acrilonitrilo es desagradable y casi tan venenoso como el cianuro. Una vez polimerizado con estireno se convierte en inofensivo. El ABS es compatible con la regulación FDA (US Food and Drug Association), puede ser reciclado, e incinerado para recuperar la energía que contiene.

*Usando CES EduPack Nivel 2 de la Base de datos


La base

de datos

Tabla de datos de

Fabricantes

Tabla de datos de

Referencias

Links

Estructura de la base de datos CES EduPack

Tabla de datos de Materiales

DATOS PARA

� Metales y

aleaciones

� Polímeros

� Cerámicas y

vidrios

� Híbridos

Tabla de datos de Procesos

DATOS PARA

� Unión

� Conformado

� Tratamiento

superficial


Estructura de la información: procesos de fabricación

Unión

Soldadura

Conformadoprimario

Heater Screw

Granular PolymerMould

Nozzle

Cylinder

No.8-CMYK-5/01

Moldeo por inyección

Conformadosecundario

Mecanizado

Tratamientossuperficiales

Pintura


Propiedades

Archivo de procesos

RTMMaterial

Shape

Size Range

Min. section

Tolerance

Roughness

Economic batch

Documentation

-- specific

-- general

RTMMaterial

Shape

Size Range

Min. section

Tolerance

Roughness

Economic batch

Documentation

-- specific

-- general

Blow moldingMaterial

Shape

Size Range

Min. section

Tolerance

Roughness

Economic batch

Documentation

-- specific

-- general

Blow moldingMaterial

Shape

Size Range

Min. section

Tolerance

Roughness

Economic batch

Documentation

-- specific

-- general


Materiales

Forma

Rango de espesores

Sección mínima

Tolerancia

Rugosidad

Lote económico

Documentación

-- específica

-- general


Materiales

Forma

Rango de espesores

Sección mínima

Tolerancia

Rugosidad

Lote económico

Documentación

-- específica

-- general

Información

estructurada

Información no

estructurada

Miembro

Compresión

Rotación

Inyección

RTM

Soplado

Estructura de la información: ÁRBOL DE PROCESOS

Universo

Tabla de datos

Procesos

Clase

Fundición

Deformación

Moldeo

Conformadocompuestos

Métodos polvos

Prototipado rápido

Familia

Unión

Conformado

Tratamientos

superficiales


Browse SelectBarra de

herramientasTools Search web CES HelpSearch

Cerámicas y vidrios

Híbridos: compuestos

Metales y aleaciones

Polímeros y elastómeros

Universo Materiales

+

+

+

+

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Clase

Elastómeros

Termoplásticos

Termoestables

Miembro

ABS

Poliamidas

Policarbonato

Polietileno

PET

Polipropileno

PMMA

PTFE

Universo MaterialesUniverso Materiales

Edu Nivel 1Edu Nivel 1

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Materiales

TitanioPlexiglas

Acrilonitrilo, Butadieno y Estireno (ABS)

Material El ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno) es fuerte, tenaz y fácil de moldear. Por lo general es opaco, aunque algunos grados actuales son transparentes, y se le puede dar colores vivos. Las aleaciones ABS-PVC son más tenaces que el ABS estándar y, en algunos grados, auto-extinguibles, se utilizan para carcasas de herramientas de potencia. Composición (resumen) (CH2-CH-C6H4)n

Propiedades generales

Densidad 1.01e3 - 1.21e3 kg/m^3

Precio 1.73 - 1.9 EUR/kg

Propiedades mecánicas

Módulo de Young 1.1 - 2.9 GPa Límite elástico 18.5 - 51 MPa Resistencia a tracción 27.6 - 55.2 MPa Elongación 1.5 - 100 % strain Dureza-Vickers 5.6 - 15.3 HV Resistencia a fatiga para 10 ^ 7 ciclos 11 - 22.1 MPa Tenacidad a fractura 1.19 - 4.29 MPa.m^0.5 Propiedades térmicas Máxima temperatura en servicio 61.9 - 76.9 °C Conductividad térmica Buen aislante Coeficiente de expansión térmica 0.188 - 0.335 W/m.°C

Calor específico 1.39e3 - 1.92e3 J/kg. °C Coeficiente de expansión térmica 84.6 - 234 µstrain/°C

Etc…

Polimetacrilato de metilo (PMMA)

Material Cuando se piensa en PMMA, aparece la transparencia. El acrílico, o PMMA, es el termoplástico que más se parece al vidrio en transparencia y resistencia a la intemperie. El material tiene una larga historia: descubierto en 1872, empezó a comercializarse en 1933. Su primera aplicación masiva fué para cristales de cabina en los aviones caza de la Segunda Guerra mundial. Composición (resumen) (CH3-CH2-C-CO-OCH3)n

Propiedades generales

Densidad 1. 16e3 - 1.22e3 kg/m^3

Precio 2.01 - 2.22 EUR/kg

Propiedades mecánicas

Módulo de Young 2.24 - 3.8 GPa Límite elástico 53.8 - 72.4 MPa Resistencia a tracción 48.3 - 79.6 MPa Elongación 2 - 10 % strain Dureza-Vickers 16.1 - 21.9 HV Resistencia a fatiga para 10 ^ 7 ciclos *15.2 - 32.7 MPa Tenacidad a fractura 0.7 - 1.6 MPa.m^0.5 Propiedades térmicas

Máxima temperatura en servicio 41.9 - 56.9°C Conductividad térmica Buen aislante Coeficiente de expansión térmica 0.0837 - 0.251 W/m.°C Calor específico 1.49e3 - 1.61e3 J/kg. °C Coeficiente de expansión térmica 72 - 162 µstrain/°C

Etc…


Notas científicas

Propiedades generalesDensidad 2500 - 2900 kg/m^3

Precio 2.3 - 2.86 USD/kg

Propiedades mecánicasMódulo de Young 68 - 80 GPa

Límite elástico 95 - 610 MPa

Resistencia a tracción 180 - 620 MPa

Elongación 1 - 20 %

Resistencia a fatiga 10^7 ciclos 57 - 210 MPa

Tenacidad a fractura 21 - 35 MPa.m^1/2

Propiedades térmicasPunto de fusión 495 - 640 °C

Temperatura máx. de servicio 120 - 200 °C

Conductividad térmica 118 - 174 W/m.K

Coeficiente de expansión térmica 22 - 24 µstrain/°C

Descripción. La alta resistencia de las aleaciones de aluminio se debe al endurecimiento por envejecimiento: una secuencia de tratamientos térmicos que producen la precipitación de pequeñas partículas dispersas en la matriz impidiendo el movimiento de las dislocaciones.

Aleaciones de aluminio para forja endurecidas por precipitación

Definitions and measurement.Figure 1 shows a typical tensile stress-strain curve. The initial part is linear (Hooke’s law), and it is elastic, meaning that the strain is recoverable – the material returns to its original shape when the stress is removed. Stresses above the elastic limit cause permanent deformation or fracture ………

The origins of moduli. Atoms bondtogether, some weakly, some strongly. If they bind strongly enough they form solids; the stronger the bond, the higher is the melting point of the solid. Think of the bonds as little springs (Figure 3). The atoms have an equilibrium spacing ; a force pulls them apart a little, to , but when it is released they jump back to their original spacing. . ……….

Young’s modulus

Measurement of Young’s modulus

Origins of the modulus

Definitions and measurement.Material subjected to repeated stress cycles may fail even when the peak stress is well below the tensile strength, or even below that for yield. Fatigue data are measured and presented as curves, where ∆σ is the range over which the stress varies and Nf

is the number of cycles to failure………

How do fatigue cracks propagate?Holes, change of section, cracks, and surface scratches concentrate stress so that, even when the sample as a whole remains elastic (the “high-cycle” regime), local plasticity occurs. The damage this creates accumulates, finally developing into a tiny crack. The crack propagates in the way shown on the left of Figure 2. ……….

Fatigue strength at 107 cycles

Autor Título Capítulo

Callister “Materials Science and Engineering: an Introduction” 6

Budinski “Engineering Materials: Properties and Selection” 2

Askeland “The Science and Engineering of Materials” 6

Ashby et al “Materials: Engineering, Science, Processing and Design” 6, 7

Ashby & Jones “Engineering Materials” Vol 1 8, 9


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Resumen

• Las información de los materiales y procesos viene dada por :

(a) Datos numéricos y no numéricos con una estructura organizada

(b) Documentación adicional en forma de textos, gráficos e imágenes

• La clasificación permite organizar los datos de los materiales

• Las vías de CES EduPack para acceder a la información son:

� Browse o Search

• Los conceptos teóricos se explican vía:

� Notas científicas conectadas a las propiedades de los materiales

� Publicaciones, disponibles en el menú Help

� Referencias de los libros más importantes

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