CyTMA-Tema1-Introduccion

TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA Y TECNOLOGíA

DE MATERIALES

GRUPO DE METALURGIA E ING. DE LOS MATERIALESESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

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Ciencia y Tecnología de Materiales AeroespacialesGrado en Ingeniería Aeroespacial

2012-2013Tema 1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES

1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES

1.1. Introducción

1.2. Calendario de los materiales

1.3. Ciencia e Ingeniería de los materiales

1.4. Estructura y Propiedades

1.5. Clasificación de los materiales

1.6. Selección de materiales

1.7. Tendencias futuras

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1.1. INTRODUCCIÓN1.1. INTRODUCCIÓN

La base de la economía actual es la producción y el procesado de losdistintos materiales para convertirlos en productos o bienes deconsumo.

juegan un papel determinante tanto en sectores cotidianos de nuestravida como en sectores de altas prestaciones.

El dominio y control de una determinadatecnología va ligado al conocimiento y usode ciertos materiales.

El continuo desafío tecnológico actúacomo fuerza impulsora para el desarrollode nuevos materiales.

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1.1. INTRODUCCIÓN1.1. INTRODUCCIÓN

Los Ingenieros son los encargados del diseño de productos (uso demateriales) → necesidad de conocimientos sobre materiales.

Los ingenieros sea cual sea su especialidad, deben tener conocimientos básicos y aplicados sobre los materiales de ingeniería.

Familiarizados con: • grupos de materiales existentes• propiedades de los materiales• estructura interna• mediante qué procesos se pueden manufacturar• procedimientos que mejoran sus propiedades

•En la actualidad el número de materiales utilizados es > 100000.•Las posibilidades de obtener nuevos materiales son INFINITAS.•Nueva forma de entender los materiales.

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1.2. CALENDARIO DE LOS MATERIALES1.2. CALENDARIO DE LOS MATERIALES

MATERIALES“Las sustancias de las que algo está compuesto ohecho”,“La materia prima que el hombre necesita paraconstruir”

CALENDARIO DE LOS MATERIALES

El desarrollo y evolución de las sociedades está ligado a la capacidad desus miembros para utilizar, producir y conformar los materiales parasatisfacer sus necesidades.

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1.2. CALENDARIO DE LOS MATERIALES1.2. CALENDARIO DE LOS MATERIALES

EVOLUCIÓN DEL EMPLEO DE MATERIALES A LO LARGO DEL TIEMPO(escala no lineal)

ORO COBREBRONCE

HIERRO

ACEROS

FUNDICIONES

ACEROSALEADOS

ALEACIONESLIGERAS

SUPERALEACIONES

ALEACIONESTITANIOZIRCONIO...

ALEACIONES Al-Ti

ACEROS EN FASE DUAL

ACEROS MICROALEADOS

NUEVAS SUPERALEACIONES

DESARROLLO LENTO,EN GRAN PARTE CONTROLDE CALIDAD Y PROCESO

METALES AMORFOS

METALESMETALES

COLAS

MADERAPIELESFIBRAS

CAUCHO

BAQUELITA

NYLONPE

PCPMMA

PPACRÍLICA

EPOXYPOLIESTER

PS

POLÍMEROS DE ALTOMÓDULO

POLÍMEROS DE ALTAS TEMPERATURAS

POLÍMEROSELASTÓMEROS

POLÍMEROSELASTÓMEROS

PIEDRA

VIDRIOCEMENTO

REFRACTARIOS

CEMENTOPORTLAND CEMENTOS SÍLICE

FUNDIDA PIRO-CERÁMICAS

CERÁMICAS TENACES

SÍLEX

CERÁMICASVIDRIOS

CERÁMICASVIDRIOS

CFRPGFRP

KEVLAR-FRP

COMP. DEMAT. METÀL.

COMP. CERÁMICOS

COMPUESTOS

COMPUESTOS

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1.3. CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES1.3. CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

relación estructura interna - propiedades de losmateriales.

CIENCIAde los

Materiales

diseño de la estructura interna para obtenerdeterminadas propiedades.

INGENIERÍAde los

Materiales

PropiedadesEstructura

Procesado

Rendimiento bajocondiciones de servicio

Rama del conocimiento que se encarga del estudio de losmateriales.

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1.4. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES1.4. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

Estructura interna: disposición de componentes internos.

Depende de la escala de observación o del orden de magnitud de lasdistancias típicas entre sus componentes:

“un viaje al interior del acero”

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Propiedades: respuestas del material ante estímulos externos.

Dependen de la ESTRUCTURA INTERNA

• Mecánicas: repuesta ante una carga aplicada.• Eléctricas: repuesta ante un campo eléctrico.• Magnéticas: respuesta ante un campo magnético.• Térmicas: respuesta frente a la temperatura.• Ópticas: respuesta ante la radiación electromagnética o lumínica.• Químicas: reactividad química de un material.

ENSAYO DE TRACCIÓNObservamos diferente comportamiento mecánico:• Al: relativamente dúctil• Mg: relativamente frágil

Al Mg

distinta estructura a escala atómica

distinto nº de sistemas de deslizamiento

1.4. ESTRUCTURAS Y PROPIEDADES1.4. ESTRUCTURAS Y PROPIEDADES

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Metálicos o Constituidos por metales (+ no metales en pequeña cantidad).o Tipo de enlace: metálico.o Estructuras ordenadas (cristalinas); artificialmente desordenadas.o Altas densidades.o Buena resistencia mecánica hasta media T; tenaces; deformables.o Buena conductividad eléctrica y térmica. o Opacos, alta reflectancia y característico brillo metálico.o Ej.: Fe, aceros, Ti, Al, superaleaciones …

Blisk fabricado en Ti-6Al-4V para el proyecto: “Joint Strike Fighter”.

1.5. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES1.5. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

Según su composición química y su estructura atómica

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o Constituidos por metales y no metales, formando compuestos. o Tipo de enlace: fundamentalmente iónico y covalente.o Estructura cristalina, no cristalina o mezcla de ambas.o Densidades medias. o Resistencia mecánica elevada a altas T; elevada dureza y fragilidad;

indeformables.o Refractarios, aislantes.o Opacos, traslúcidos o transparentes.o Ej.: cerámicas tradicionales, cemento, vidrios, semiconductores...

Cerámicos

Corte de una turbina de gasde diseño avanzado, incorpora:

Carburo de silicio en los rotores, álabes de turbina y en las toberas.Nitruro de silicio en los rotores de turbina.Silicato de aluminio en los discos del regenerador.


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o Constituidos por moléculas pequeñas de naturaleza orgánica o inorgánica.

o Estructura cristalina o no cristalina. o Propiedades muy variadas.o Ej.: hielo, fullerenos, etc.

Moleculares

Configuración particular del carbono: figuras casi esféricas compuestas de hexágonos y pentágonos en perfecto equilibrio y simetría. particulares características de superconductividad y resistencia

térmica, aplicaciones en nanotecnología.

fullerenos

Vista 3D

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o Constituidos por largas moléculas orgánicas que pueden formar redes.

o Tipo de enlace: covalente y enlaces secundarios.o Estructura no cristalina (con posibles zonas cristalinas). o Baja densidad.o Resistencia mecánica media a bajas T; frágiles unos, tenaces y

plásticos otros.o No conductores del calor y la electricidad. o Opacos, translúcidos o transparentes.o Ej.: polietileno, PVC, teflón …

Poliméricos

piezas finas y ligeras para interiores en aeronáutica

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o Mezcla de 2 o más materiales de los citados antes.o Mejoran las propiedades débiles de unos y potencian las fuertes de

los otros, conservando la forma inicial. o Formados por un aglomerante (matriz) más refuerzos.o Combinaciones comunes:

o Compuestos de Matriz polimérica (ej. Refuerzo fibra carbono) (PMCs)o Compuestos de Matriz metálica (ej. refuerzos cerámicos) (MMCs)o Compuestos de Matriz cerámica (ej. refuerzos metálicos) (CMCs)

o Ej.: poliéster con fibra de vidrio, hormigón armado, etc.

Compuestos

Guardabarros trasero de automóvil: utilización pionera de un compuesto (nylon con fibra de vidrio) en una aplicación estructural tradicionalmente metálica

Ala del Airbus A400M: largueros y caja de material compuesto.

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Objetivo principal: minimizar el peso de la estructura manteniendo laintegridad de la misma y la seguridad del conjunto.

Materiales en Aeronáutica

•Materiales con alta resistencia y tenacidad específicas.•Otras propiedades: resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga, facilidad de fabricación, disponibilidad, propiedades resistentes a la T y costes admisibles.

Materiales más utilizados:

•Aleaciones de Aluminio•Aleaciones de Titanio •Compuestos de Fibra de Carbono

•Aceros•Aleaciones de Aluminio-Litio

Boeing 787

Airbus A380


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Avión comercial

Resina epoxy/ fibra carbono: partesestructurales del ala

SiC: superficies de fricción enlos discos de freno tren deaterrizaje

PMMA: ventanas

Aluminio para las alasAcero para el tren de aterrizajeAleaciones de Ti o Ni para el motor



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1.6. SELECCIÓN DE MATERIALES1.6. SELECCIÓN DE MATERIALES

Selección de materiales: decisión final a adoptar en el proceso dediseño en ingeniería, y que puede conducir al éxito o fracaso final.

compromiso entre las características, comportamiento y coste de cada uno de los

materiales candidatos

elección del tipo generalde material

elección del material específico SELECCIÓN

FINAL

• debe adquirir las propiedades deseadas• debe ser manufacturado con la forma deseada• debe ser una solución lo más económica posible

Factores a considerar:

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1.7. TENDENCIAS FUTURAS1.7. TENDENCIAS FUTURAS

Líneas actuales y futuras de investigación:

2METALES: aleaciones base Ti y Ni para motores, espumas metálicas, nuevastécnicas de procesado como compactación isostática en caliente y técnicaspulvimetalúrgicas.

2 CERÁMICAS: cerámicas más tenaces con mayor resistencia al impacto.Nuevas técnicas para obtener piezas cerámicas con mayor facilidad.

2 POLÍMEROS: mezclas o aleaciones de diferentes materiales poliméricospara obtener nuevas aleaciones plásticas de propiedades superiores.Polímeros conductores.

2 Los semiconductores, materiales compuestos y materiales moleculares sonla base del avance tecnológico, por lo que son muchas las líneas deinvestigación abiertas en estos campos.

Dado el permanente desafío tecnológico al que está sometida la humanidad, esnecesario desarrollar nuevos materiales más especializados y sofisticados.

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2Materiales inteligentes: interacción con su entorno

Memoriade formaMemoriade forma

Materiales que recuperan la forma trasun calentamiento o una deformación. Ej.Nitinol, tendones artificiales.

Foto yCromo

actividad

Foto yCromo

actividad

Materiales que cambian de color ante unestimulo externo. Ej. ventanas inteligentes.

aleaciones con memoria deforma: pueden unir tubos sinsoldadura → ahorro en costesde mantenimiento en avionescomerciales y militares.

alambre NiTi

2Nanomateriales: materiales de escala nanométrica

Boeing ha trabajado en el desarrollo de compuestosde nanoestructuras para aligerar el peso delfuselaje de su avión 787.

En el sector aeronáutico, los nanomaterialesreducen el peso de los aviones y dispositivosespeciales, con mayores capacidades mecánicas.

Almacenamiento hidrógeno

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2Materiales biomiméticos: materiales que imitan a la propia naturaleza.

COPIA: Geometría hexágonal del PANALMOTIVO: Resistencia y economía de materialUTILIZACIÓN: Fabricación paneles de composites (HONEYCOMB)

1. Cúpula protectora de la antena: Panal de abeja de Flexcore®2. Puertas de tren de aterrizaje: Panal de abeja de proceso especial5 – 6. Alas: Panal de abeja de Nomex®. 7. Superficies de Control de Vuelo –Alerones: Panal de Abeja no metálico

Avión civil (Boeing 737)

Panal de abeja de Nomex®.


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