Pptmanes12+ +unidad+4+manipulando+las+propiedades
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Engineering
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This lecture unit is part of a set created by Mike Ashby to help introduce students to materials, processes and rational selection.
The Teaching Resources website aims to support teaching of materials-related courses in Design, Engineering and Science. Resources come in various formats and are aimed primarily at undergraduate education.Some of the resources are open access and students can access them. Others are only available to educators using CES EduPack.
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
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
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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
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Elementos- Módulo de Young
Gráfico realizado con CES EduPack'10 Elementos . Versión no disponible en castellano
Módulo de Young
1
1.000
Rango
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Origen: densidad y módulo de Young
Densidad: peso atómico y factor de empaquetamiento Módulo de Young: fuerzas intermoleculares y factor de empaquetamiento
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Materiales: módulo de Young- densidad
20.0001.000
1.000
1
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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
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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
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Materiales cristalinos:
Química – enlace metálico frente a enlace
iónico/covalente.
Pequeñas burbujas-Comportamiento similar al de los
elementos
Manipulando las propiedades: módulo de Young-densidad
Química y microestructura
Polímeros y elastómeros:Química – Cadenas poliméricas unidas
por puentes de hidrógeno.
Microestructura – Entrecruzamiento y
cristalinidad
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Control del módulo de Young vía configuración
Materiales compuestos: “híbridos formados por dos sólidos”
Límite superior : Eu
Límite inferior : El
CFRP
GFRP
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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
~~
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Materiales compuestos:Configuración–Componentes,
Capas
Manipulando las propiedades: módulo de Young-densidad
Configuración
Espumas:Configuración –
estructura celular
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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
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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
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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)
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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
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control vía química y microestructura
Al -Cu 2024
Al -Si S413
Aleaciones de aluminio: endurecimiento por solución sólida, precipitación y deformación
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Control vía química: aceros
Ferrita + perlita
Aceros: resistencia, tenacidad y contenido en carbono
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Control vía microestructura: aceros
Normalizado (ferrita + perlita)
Aceros aleados-Temple
(martensita)
Aceros: Cambios en la microestructura para una composición constante
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Química y microestructura: aceros
Aceros: Sumario de composición + procesos
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Química, microestructura y configuración: polímeros
Polímeros: (PP) tenacidad a fractura-módulo de Young: Evolución con la composición
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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
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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
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Propiedades térmicas: coeficiente de expansión térmica y conductividad
Metales y cerámicas:
Alta conductividad,
baja expansión
Polímeros y elastómeros:
Baja conductividad, alta expansión
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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
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Control vía química, microestructura y configuración
Espumas: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
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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
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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...
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Fin de la Unidad 4
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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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www.grantadesign.com/education/resources
© M. F. Ashby, 2011
Los recursos docentes de la página web de Granta Design son una herramienta de apoyo al aprendizaje de materiales en ingenierías, ciencias, procesos y diseño. Los recursos están disponibles en varios formatos y distintos niveles de información para adecuarlos a todos los estudiantes.
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 .
La página web también contiene otros recursos didácticos y han contribuido académicos de las más de 800 universidades que usan CES EduPack en el mundo.
La página web contiene tanto recursos que requieren el uso de CES EduPack como una selección de recursos que no lo necesitan.
AutorMike AshbyUniversidad de Cambridge, Granta Design Ltd.www.grantadesign.comwww.eng.cam.ac.uk
ReproducciónLos derechos de autor están protegidos por copyright. Los recursos pueden ser reproducidos para su uso con fines docentes y pueden ser consultados en la página web de Recursos docentes, una vez adquirido el producto .Asegúrese de que tanto Mike Ashby como Granta Design están al corriente de la reproducción. No se pueden utilizar estos recursos con fines comerciales.
Mayor calidadDesde Granta Design se trabaja para mejorar la calidad de estos recursos. Si tiene cualquier sugerencia o mejora, no dude en contactar vía e-mail a la siguiente dirección: [email protected]
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*Recursos traducidos por Mar Estellés Gil (UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA)