Tema 5. Compuestos de Matriz metálica.pdf
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Materiales Metlicos No FrreosCurso de Tecnologa de Materiales Metlicos
Ingeniera de Materiales
Departamento de Ingeniera Mecnica y de los Materiales
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Compuestos metlicosde matriz metlica
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Compuestos de matriz metlica
Matrices tpicas empleadas:
Aluminio y Titanio.
Reforzadas con fibras cermicas
continuas o discontinuas, partculas
o whiskers.
Brinda una mejorar de la
resistencia especfica y la rigidez.
El coste es relativamente alto. 99% Al2O3Su=3000 MPa
E = 400 Gpa
= 3.95 g/cm3
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Compuestos de matriz metlica
Superiores a los compuestos
polimricos en mdulo elstico,
tenacidad, ductilidad y resistencia a
altas temperaturas
Son ligeramente ms denso y
difciles de fabricar partes tiles.
Los MMC son usualmente de Al,
Mg, Cu, Ti, superaleaciones.99% Al2O3Su=3000 MPa
E = 400 Gpa
= 3.95 g/cm3
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Magnesio Baja densidad (37% menor que el Al)
Aplicaciones aeroespaciales
Fluye a bajas temperaturas
Baja resistencia
Susceptible a varios tipos de corrosin
Aluminio
Fcil de procesar y econmico
35% de la densidad del acero
Puede ser aleado y alcanzar una resistencia elevada 57% mas rgido que el Mg
Excelente resistencia a la corrosin
Material ampliamente usado
Matriz
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Matriz
Titanio
Resiste el doble que el Al
65% mas pesado que el Al y 65% mas rgido
Resistencia a la corrosin y temperatura
Cobre, Hierro, Nquel, Wolframio
Aleaciones de usos especiales
Circuitos electrnicos
Punzones de metal
Motores de aviones
Aplicaciones militares
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Cermicas
SiC
Al2O3 TiC
B4C
Otros
Grafito
TiB2
Filamentos metlicos
Boro
Acero
Wolframio
La eleccin de la matriz y el refuerzo depende de:
Propiedades deseadas
Compatibilidad de la matriz y el refuerzo Vias de procesamiento
Refuerzo
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Particulate Composite Short-Fiber Composite
Long-Fiber Composite Laminated Composite
Refuerzo
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
c m m r r X X V X V
D o n d e
X p ro p ied a d a c o n sid e ra r
V fr a cc i n v olu m tr ic a
c c o m p u e sto
m m atriz
r refu erzo
Regla de las mezclas
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
AplicacionesCompuestos de Matriz Metlicas
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Aplicaciones
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Aplicaciones
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Pistn de unmotor diesel
fabricado con Alreforzado defibras cortas
Frenos de disco de Almoldeado con refuerzos
de partculas
Calliper para el sistema de frenos dedisco, a la izquierda el convencionalde Fe colado y a la derecha AMC (Almatrix composites) con fibrascermicas
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Aplicaciones
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Lightweight racing motorcycle brakes madeof SiC distributed in aluminium
Aplicaciones
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Fracture surface of a SiC fibre-reinforcedCu metal matrix composite
Aplicaciones
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Welding Handbook, AWS
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Aluminio reforzado con Carburo de Boro
B4C en matriz de Al
Densidad menor que las aleaciones de Al.
Pueden ser soldados empleando equiposestandares de TIG.
Disponible en las mismas formas que los aleacionesconvencionales. Puede ser moldeado, extruido yforjado.
Disponible en lminas tan delgadas como papel.
Nombres comerciales Boralyn; H=baja resistencia,alta ductilidad, E = aleacin de alta resistencia.
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Aluminio reforzado con Carburo de Boro
AMC220bc
Material Grade:AMC220bc
Material Type:Metal Matrix Composite -
Boron Carbide ParticleReinforced Aluminium Alloy
Description:AMC220bc is a high qualityaerospace grade aluminiumalloy (AA2124) reinforcedwith 20% by volume ofultra-fine / high purityparticles of boron carbide. Itis manufactured by apowder metallurgy routeusing high-energy mixing toensure excellent particledistribution and to enhancemechanical properties.60% Mas resistente que la aleacin original
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Continuous Fiber-Aluminum Matrix Composites (CF-AMC)
Al-2wt%Cu con 60vol% Al2O3 fibras
Ofrece alta resistencia longitudinal (1500 MPa) y buena transversal(270 MPa)
Formas disponibles: productos near net-shape
Alta rigidez Ligero
Al puro con 60vol% Al2O3 fibras
Muy alta resistencia longitudinal (1650 MPa) y moderadaresistencia transversal (140 MPa)
Alta rigidez
Ligero
Buena resistencia a la corrosin
Buena conductividad elctrica
Formas disponibles: componentes near net-shape y cable continuo
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Prop
iedadesdelAMC
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
AMC Propiedades especficas
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Figure 3. Elevated temperature strength of a Ti6Al4V alloyunreinforced and reinforced with silicon carbide
monofilament.
Continuous Fiber-Ti6Al4V Matrix Composites
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Mtodos de Produccin
Estado lquido
Estado semi-slido Estado slido
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Mtodos de Produccin Procesos metalrgicos en fase lquida Infiltracin de preformas de fibra corta y/o partculas
Infiltracin reactiva de preformas de fibras o partculas
Mezclado del lquido metlico y las partculas, seguido de un moldeo enarena o bajo presin
Procesos metalurgicos en fase slido (polvos, PM) Compactacin y sinterizado y/o forja de los polvos metlicos y de refuerzo
Extrusin y forja de la mezcla de partculas metlicas y refuerzos.
Extrusin y forja de un spray de material MMC compatible
HIP de mezcla de polvos y partculas de refuerzoMoldeo tixoplstico, extrucin, etc
Soldadura de productos semimanufacturados
Combinacin de deformacin de grupos de metales
(superconductores)
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Procesos de infiltracin
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Procesos de infiltracin de preformas
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Procesos de infiltracin de preformas
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Procesos de infiltracin de preformas
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Diffusion bondingprocess:
(a) apply metal foil and cut
to shape,
(b) lay up desired plies,
(c) vacuum encapsulate
and heat to fabrication
temperature,
(d) apply pressure andhold for consolidation
cycle, and
(e) cool, remove, and
clean part.
Procesos de unin por difusin
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Procesos de unin por difusin
Composite
superconductor
type Vacryflux NS 13 000
Ta: 13000 Nb filaments inCuSn and 35 % stabilization
material 30% Cu+5% Ta in
a shell
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Procesos PM por prensado y extrusin
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Caption: (a) Microstructure of SiC particle reinforced 2080 Almatrix composite after hot extrusion and (b) Orientation image
map showing random orientation of grains at the particle/matrix
interface due to dynamic recrystallization, and textured grains
away from the interface
Procesos PM por prensado y extrusin
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Procesos PM y forja
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
(a) Microstructure of multilayered Al/SiC composite deposited by PVD. The
thickness of the layers increases progressively with distance from the Si
substrate. (b) Comparison of tensile behavior between Al/SiC multilyer (500
nm, with homogeneous individual layer thickness) compared to Al film. Note
the significantly higher strength in the multilayer MMC
Procesos por deposicin PVD
SiC
Si
Al
Al
AlSiCAlSiAl
SiSiC
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Figure 21. Caption: Stress versus cycles
(S-N) behavior of a particle reinforced
MMC. With increasing volume fraction of
particles the fatigue strength of the
composite increases (from
ref.42).
Figure 22. Caption: Elevated temperature
fatigue behavior of a patricle reinforced
MMC. With increasing temperature, the
matrix strength decreases resulting in
decreased fatigue resistance
Propiedades Mecnicas
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
InteraccinFibra Matriz
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Al aumentar la superficie en contacto y el ngulo de mojado
se aumenta la resistencia de la interface matriz-fibra
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Fig. 1.46 Fracture surfaces in aluminum composite materials after tensile strain vertical to thefiber orientation: (a) fiber/matrix- delamination (C/Al, weak adhesion); (b) shearing of fibers and
dimple formation of a deformed matrix on the fibers (Al2O3/Al-2.5Li, medium adhesion); (c)
Fracture in the matrix (SiC/Al good adhesion); (d) fracture run in multiple broken fibers (SiC/Al good
adhesion).
InteraccinFibra Matriz
C/Al, weak adhesion Al2O3/Al-2.5Li, medium adhesion
SiC/Al good adhesion SiC/Al good adhesion
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Figure 24. Caption: Reinforcement and crack tip interactions in a particulate composite:
(a) low Kmax, K, smaller plastic zone tortuous crack growth takes place ( b)high Kmax, K, larger plastic zone envelops several particles particle fracture takesplace ahead of the crack tip, resulting in planar crack growth.
Propiedades Mecnicas
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Figure 25. Caption: Fatigue crack growth profile in a SiC particle
reinforced Al matrix composite, exhibiting crack trapping andcrack deflection mechanisms.
MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Crack growth vs cyclic intensity factor for a
particulate MMC versus the unreinforced alloy
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MATERIALES METLICOS NO FERREOS
Bibliografa
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I.J. McCololm and N.J. Clark, Forming, Shaping and Working
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Bibliografa
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Bibliografa