unidad_1 estudio y ensayo

Carrera: TECNICATURA UNIVERSITARIA EN MECATRÓNICA Asignatura: ESTUDIO Y ENSAYO DE MATERIALES Unidad nº 1

1

INTRODUCCIÓN

En esta asignatura veremos la importancia, en la función profesional del técnico en mecatrónica, de la selección de un material para la fabricación de una pieza de un dispositivo o un elemento estructural. Es esta una de las decisiones fundamentales para el éxito del ejercicio profesional. Una adecuada elección del material garantizará el correcto funcionamiento del componente diseñado y su competitividad, hablando en función del costo, frente a otros productos presentes en el mercado

El objetivo principal de la ciencia de los materiales es el conocimiento básico de la estructura interna, las propiedades y la elaboración de materiales. La ingeniería de los materiales se interesa principalmente por el empleo del conocimiento fundamental y aplicado acerca de los materiales, de modo que éstos puedan ser convertidos en los productos que la sociedad necesita o desea.

LOS MATERIALES Y LA INGENIERÍA

El hombre, los materiales y la ingeniería han evolucionado en el transcurso del tiempo y continúan haciéndolo. El mundo actual es de cambios dinámicos y los materiales no son la excepción. A través de la historia, el progreso ha dependido de las mejoras de los materiales con los que se trabaja. El trabajo del hombre prehistórico estaba limitado a los materiales disponibles en la naturaleza como la piedra, madera, huesos y pieles. Con el transcurso del tiempo, pasaron de la Edad de Piedra a las nuevas edades de cobre (bronce) y de hierro. Todos los ingenieros tienen que ver con materiales, de manera cotidiana, en manufactura y procesamientos, y en el diseño y construcción de componentes o de estructuras. Deben seleccionar y utilizar materiales y analizar fallas de los mismos. Deben tomarse una diversidad de decisiones importantes al seleccionar los materiales a incorporar en un diseño, incluyendo si los materiales pueden ser transformados de manera consistente en un producto, con las tolerancias dimensionales correctas y si pueden mantener la forma correcta durante su uso; si el material es compatible con otras partes de un ensamble y puede fácilmente unirse a ellas; por otro lado, considerar si pueden reciclarse fácilmente y observar si el material o su fabricación pueden causar daños ecológicos. Esta comprensión es necesaria para ser capaz de participar en el diseño de componentes, sistemas y procesos confiables y económicos que utilicen el amplio espectro de materiales.


2

TIPOS DE MATERIALES

La mayoría de los materiales utilizados en ingeniería se dividen en cinco grupos principales: materiales metálicos, poliméricos, cerámicos, compuestos y electrónicos. En esta unidad se distinguirá entre ellos con base en algunas de sus propiedades mecánicas, eléctricas y físicas más importantes. En unidades posteriores se estudiarán las diferencias en cuanto a estructura interna entre estos tipos de materiales. METALES

Se llaman metales aquellas sustancias inorgánicas químicamente simples que se

caracterizan por: tener buen brillo alta conductibilidad térmica alta conductibilidad eléctrica son opacos algunos poseen buena maleabilidad y soldabilidad tiene una estructura cristalina

Los metales y sus aleaciones se dividen en:

ferrosos: se refiere al hierro y a las aleaciones basadas en él, que son las fundiciones, el acero y las ferroaleaciones

no ferrosos: al resto de los metales. Entre los no ferrosos que tienen mayor importancia en el empleo industrial encontramos al cobre, aluminio, plomo, estaño, níquel, titanio.

Los no ferrosos poseen una serie de propiedades fisico-químicas que los hacen insustituibles en la técnica.

El cobre por su alta conductividad eléctrica y térmica juega un papel importante en la industria electrotécnica.

El aluminio en virtud de su baja densidad es de amplio uso en la industria aeronáutica. El estaño posee una gran resistencia a la corrosión por lo que se lo emplea para obtener la

hojalata utilizado en la industria alimenticia o para el estañado de calderas y aleado con el plomo para la fabricación de cierto tipo de cojinetes. Hoy en día los metales no ferrosos raros, tales como el: + galio: que hierve a altísima temperatura (2230 ºC) se usa para fabricar termómetros + indio: posee alto poder de reflectar uniformemente la luz por lo que se lo utiliza para

proteger los espejos de los proyectores + litio: en forma de óxido de litio tiene un alto poder lubricante


3

POLÍMEROS

Solo por nombrar algunos de ellos, polietileno, epoxi, fenólicos, PVC. La mayoría de los materiales poliméricos constan de largas cadenas o redes moleculares que frecuentemente se basan en compuestos orgánicos (precursores que contienen carbono). Los materiales poliméricos incluyen al caucho (elastómeros) y muchos tipos de adhesivos.

Si bien no se puede generalizar, porque existen diversos tipos de polímeros, podemos decir que poseen las siguientes propiedades:

Son buenos aislantes eléctricos y térmicos Baja densidad Muy buena relación entre resistencia y peso Muy buena resistencia a sustancias químicas corrosivas Buena ductilidad y formabilidad Temperaturas de ablandamiento y descomposición relativamente bajas Resistentes a la humedad Fácilmente convertibles en películas delgadas, flexibles y herméticas Estructura amorfa Las aplicaciones de los polímeros aumenta día a día y van desde la fabricación de CD, chalecos

antibalas, cuerdas, pantallas de LCD, calzados, indumentaria, autopartes, etc. Estos materiales han ido sustituyendo en muchas aplicaciones, al metal, al vidrio, al papel y la madera.

Las industrias proveedoras de polímeros se centran cada vez más en la creación de mezclas de polímeros con otros polímeros, conocidas también como aleaciones o mezclas, para ajustarlas a aplicaciones específicas para las cuales ningún otro polímero es adecuado por sí solo. Debido a que las mezclas se producen con base en los polímeros existentes con propiedades bien conocidas, su creación resulta menos costosa y más confiable que sintetizar un polímero único para una aplicación específica. Por ejemplo, los elastómeros (un tipo de polímero muy deformable) suelen mezclarse con otros plásticos para mejorar la resistencia del material al impacto. Esas mezclas tienen un empleo importante en parachoques automotores, alojamientos de las herramientas motorizadas, artículos deportivos y componentes sintéticos de muchas instalaciones de pistas de atletismo techadas, que suelen estar fabricadas con una combinación de caucho y poliuretano. Los revestimientos acrílicos mezclados con varias fibras y materiales de refuerzo y colores brillantes se emplean como material de revestimiento para pistas de tenis y patios de juegos. Sin embargo, otros materiales de revestimiento fabricados con polímeros se están empleando para proteger de la corrosión, ambientes químicos amenazantes, choque térmico, impacto, desgaste y abrasión. La búsqueda de nuevos plásticos y aleaciones continúa dado su menor costo y buenas propiedades para muchas aplicaciones. MATERIALES CERÁMICOS

Entre ellos encontramos al titanato de bario, sílice, vidrios, arcilla refractaria)


4

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos enlazados químicamente entre sí. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezclas de ambos. Algunas de sus propiedades son:

gran dureza y resistencia a altas temperaturas son frágiles por lo tanto baja tenacidad aceptan poca o nula deformación antes de la fractura excelentes aislantes térmicos ópticamente transparentes (en el caso del vidrio) Baja fricción

Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos

materiales cerámicos, los vuelve útiles en revestimientos de hornos para tratamientos térmicos y fusión de metales como el acero.

En las últimas décadas, se ha producido toda una nueva familia de materiales cerámicos de

óxidos, nitruros y carburos que tienen mejores propiedades. La nueva generación de materiales cerámicos llamados cerámicos de ingeniería, cerámicos estructurales o cerámicos avanzados tienen mayor resistencia, mejor resistencia al desgaste y a la corrosión (aun a temperaturas altas) y al choque térmico. Entre los materiales cerámicos avanzados establecidos están la alúmina (óxido), el nitruro de silicio (nitruro) y el carburo de silicio (carburo).

Una importante aplicación de los cerámicos avanzados en la aeronáutica son las losetas

cerámicas del transbordador espacial. Las losetas cerámicas están fabricadas con carburo de silicio por la capacidad de este material para actuar como escudo térmico y volver rápidamente a temperaturas normales al retirarse la fuente de calor. Estos materiales cerámicos protegen térmicamente la estructura interna del transbordador durante el lanzamiento y su regreso a la atmósfera terrestre Otra aplicación de los cerámicos avanzados que apunta a la versatilidad, importancia y crecimiento futuro de esta clase de materiales es su empleo como material para herramientas de corte. Por ejemplo, el nitruro de silicio, que tiene alta resistencia al choque térmico y resistencia a la fractura, es un excelente material para herramientas de corte.

Las aplicaciones de los materiales cerámicos son en verdad ilimitadas, dado que se hacen en las industrias aeronáutica, metalúrgica, biomédica, automotriz y muchas más. Si avanzan más las técnicas para fabricar materiales cerámicos de gran resistencia a la tenacidad, estos materiales podrían tener un enorme repunte en el campo de las aplicaciones de ingeniería. MATERIALES COMPUESTOS

La idea principal en el desarrollo de un material compuesto es combinar las propiedades de distintos materiales. Se forman a partir de dos más materiales, obteniendo propiedades que no se encuentran en ningún material sencillo.

Ejemplos de ellos son: + hormigón + madera laminada


5

+ tableros de fenólico + fibra de vidrio

Con la composición de distintos materiales se obtienen materiales compuestos que son: * livianos * resistentes * dúctiles * resistentes a la humedad * bajo costo * relación peso resistencia alta MATERIALES ELECTRÓNICOS

Los materiales electrónicos no son importantes por su volumen de producción, pero sí lo son extremadamente por su avanzada tecnología. Los materiales electrónicos más importantes son:

Silicio Germanio Arseniurio de Galio A estos materiales se los conoce también como semiconductores, debido a su

conductividad eléctrica se encuentra entre la de los aislantes cerámicos y los conductores metálicos.

El desarrollo de estos materiales ha permitido que la tecnología avance hasta límites insospechados. La fabricación de transistores, diodos, circuitos integrados hicieron posible la era de las comunicaciones, de la informática y de la robótica.

COMPETENCIA ENTRE LOS MATERIALES

Los materiales compiten entre sí en los mercados actuales y en los nuevos. A lo largo de un periodo surgen muchos factores que hacen posible la sustitución de un material por otro en determinadas aplicaciones. El costo es, por supuesto, un factor. Si se hace un descubrimiento importante en el procesado de determinado tipo de material, de modo que su costo se reduzca considerablemente, este material puede reemplazar a otro en algunas aplicaciones. Otro factor que da lugar a la sustitución de los materiales es el descubrimiento de un material nuevo con propiedades especiales para algunas aplicaciones. Como resultado, al cabo de un periodo determinado, cambia el uso de distintos materiales.

En la figura 1.14 se muestra gráficamente cómo ha variado la producción de seis

materiales en Estados Unidos con base en las toneladas producidas. La producción de aluminio y polímeros muestra un notable aumento desde 1930. Con base en el volumen, el aumento en la producción de aluminio y polímeros se acentúa aún más dado que son materiales ligeros.


6

Figura 1.14

La competencia entre materiales es patente si se observa la composición del automóvil estadounidense. En 1978, el automóvil estadounidense medio pesaba 1.800 kg y constaba de 60% de hierro y acero fundidos, entre 10 y 20% de plásticos y entre 3 y 5% de aluminio. En contraste, el automóvil estadounidense de 1985 pesaba en promedio 1.400 kg y constaba de 50 a 60% de hierro y acero fundidos, entre 10 y 20% de plásticos y entre 5 y 10% de aluminio. Así, en el periodo 1978-1985 el porcentaje de acero disminuyó, el de los polímeros se incrementó y el del aluminio permaneció casi constante. En 1997, el peso medio del automóvil estadounidense era de 1.476 kg, y los plásticos representaba alrededor de 7.4% de ese peso. La tendencia a emplear materiales en automóviles parece ir en aumento en aluminio y acero y ser menor en acero fundido. La cantidad de plásticos (en porcentaje) en automóviles parece ser casi la misma.

En algunas aplicaciones, sólo determinados materiales cumplen los requisitos técnicos de

un diseño y, además, estos materiales pueden ser relativamente caros. Por ejemplo, un moderno motor a reacción de avión necesita para funcionar de superaleaciones de alta temperatura con base en níquel. Estos materiales son costosos y no se ha encontrado ningún sustituto barato para reemplazarlos. Por ello, aunque el costo es un factor importante en el diseño técnico, los materiales empleados deben reunir también especificaciones de desempeño. La sustitución de un material por otro continuará en el futuro, ya que se están descubriendo nuevos materiales y se inventarán nuevos procesos.


7

Desglose de los porcentajes en peso de los principales materiales empleados en el automóvil medio estadounidense en 1985. *HSLA: acero de baja aleación de alta resistencia Predicciones y empleo de los materiales en automóviles en Estados Unidos.


8

RESUMEN

La ciencia de los materiales se interesa primordialmente por el conocimiento básico sobre los materiales, mientras que la ingeniería de los materiales se interesa por el empleo de conocimiento aplicado sobre éstos. Las tres clases principales de materiales son metálicos, poliméricos y cerámicos. Dos clases más de materiales, muy importantes en la tecnología moderna, son los materiales compuestos y los electrónicos. En esta materia se estudian todas estas clases de materiales. Los materiales inteligentes y los nanomateriales se presentan como nuevas clases que tienen nuevas e importantes aplicaciones en muchas industrias.

Los materiales compiten entre sí en los mercados actuales y en los nuevos, y, en consecuencia, se produce la sustitución de un material por otro en algunas aplicaciones. La disponibilidad de materias primas, el costo de fabricación y el descubrimiento de nuevos materiales y métodos de elaboración de productos son factores importantes que causan cambios en el empleo de los materiales.

unidad_1 estudio y ensayo

Documents