Apuntes de Ciencia de Materiales PDF

ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID...

ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: Luis Cazorla TEMA 1. ESTRUCTURA CRISTALINA En el estado sólido, la disposición de átomos permite distinguir entre materiales cristalinos o amorfos. Si estos átomos, moléculas o iones se disponen siguiendo un patrón ordenado y repetitivo en tres dimensiones, tendremos un sólido cristalino (por ejemplo metales, con distribuciones generalmente sencillas, o materiales cerámicos con estructuras que pueden llegar a ser muy complejas). En cambio, en los sólidos que no cristalizan no hay un orden determinado a largo alcance, y su estructura recuerda a la de los líquidos. A estos se les denomina sólidos amorfos o líquidos subenfriados. 1.1. Sistemas cristalinos y redes de Bravais. Cristal: agrupación de átomos o iones que se encuentran en las posiciones de equilibrio (fuerza nula y energía mínima), constituyendo una estructura ordenada, periódica y repetitiva, que se extiende en las tres direcciones del espacio generando orden de largo alcance. Para representar la estructura interna de los cristales se suele usar la red espacial. En ella, la posición de cada átomo, molécula, ion o grupo de átomos se determina mediante la posición de un punto, denominado punto reticular. Uniendo estos puntos se visualiza la red espacial o retículo cristalino. La ordenación cristalina es el resultado de una unidad estructural que se repite, a la cual denominamos celda unidad, celdilla unidad o celdilla elemental. El tamaño de esta viene definido por la longitud de cada una de sus tres aristas a, b y c, y la forma queda determinada por los ángulos entre ellas !, # % &. A estos seis valores se les llama constantes o parámetros de red. Solo existen siete tipos de paralelepípedos capaces de reproducir por completo el espacio tridimensional sin dejar vacíos o superponerse. Así, tenemos siete sistemas cristalinos: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, romboédrico (o trigonal), hexagonal, monoclínico y triclínico. Ciencia de los Materiales. Tema 1: Estructura cristalina. Página 1  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: Luis Cazorla Sin embargo, no todos los sistemas cristalinos presentan todos los tipos de celdilla, por lo que tenemos 14 redes distintas en total, las redes de Bravais: Dependiendo de la dirección o del plano que se considere dentro de la red, la distribución de los átomos, iones o moléculas es distinta, por lo que al concepto de estructura cristalina le acompaña el de anisotropía, mientras que en sólidos amorfos tenemos isotropía. La anisotropía se manifiesta de manera que los valores medios de algunas propiedades del material difieren en función de la dirección en la que estemos estudiando esta propiedad. Finalmente, señalar que un elemento puede tener diferentes estructuras cristalinas en función de la presión y la temperatura. Esta propiedad se denomina alotropía (o polimorfismo cuando se refiere a sustancias). Un ejemplo de esto es el hierro, pero se da en general en los metales y en otros elementos compuestos. 1.2. Notación de Miller de direcciones y planos cristalinos. 1.2.1. Puntos reticulares. Primero se fija un origen de coordenadas que será el 0 0 0. Las coordenadas de posición se escriben como una terna de números relacionados con los parámetros de red de la forma ' ( % ) * +. No se utilizan paréntesis ni se separan los números mediante comas. Ciencia de los Materiales. Tema 1: Estructura cristalina. Página 2  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: Luis Cazorla 1.2.2. Direcciones cristalinas. Una dirección viene definida por un vector director que une dos puntos de la red cristalina. Todas las direcciones paralelas entre sí son iguales desde el punto de vista cristalográfico, considerándose vectores deslizantes. Se denota una dirección como [u v w], y para hallar estos tres índices se procede de la siguiente manera: se traslada el vector al origen de coordenadas, se determina su proyección sobre los tres ejes y se expresan las coordenadas del extremo en función de los parámetros de red a, b y c. Posteriormente, se multiplican o dividen los tres números obtenidos de manera que quede el menor entero posible, y finalmente la dirección se denota como ya hemos dicho anteriormente, siendo u, v y w los índices de Miller de la dirección considerada. Si una de las componentes se proyecta sobre la parte negativa de un eje, su índice se representa con una barra sobre dicho índice. Llamamos direcciones equivalentes a aquellas en las que las distancias entre puntos reticulares son iguales a lo largo de dichas direcciones. (Ejemplo: [1 0 0] [0 1 0] [0 0 1]) Al conjunto de direcciones equivalentes se le denomina familia de direcciones, y se denota como. Por ejemplo: en redes cúbicas, la familia de aristas del cubo se denota , y las diagonales como. Se puede determinar el número de direcciones de una familia como: 3! (:; Estructuras especifica Compuestos intermetálicos de valencia anormal (fases electrónicas): Tienen red cristalina propia, existen en un intervalo de composición. Compuestos intersticiales: MmXn (M; metal de transición), X = H, B, C, N, O, Si. Red cristalina propia. Refractarios y alta dureza. 2.4. Diagramas de fases de dos componentes con solubilidad total en estado sólido: sistemas isomorfos. Los sistemas en los que los dos componentes presentan solubilidad total el uno en el otro se denominan sistemas isomorfos. Diagrama de fases de un sistema isomorfo y curvas de enfriamiento: Se define el líquidus como la línea de puntos temperatura-composición que representan la solubilidad máxima (saturación) de un componente en la fase líquida a una temperatura dada. Se define el sólidus como la línea de puntos temperatura-composición de un sistema, por encima de la cual el sólido y el líquido están en equilibrio y por debajo de la cual el sistema es completamente sólido. Ambas se cortan en los puntos de fusión de los componentes puros A y B que quedan sobre los ejes. Ciencia de los Materiales. Tema 2: Diagramas de fases. Página 3  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 2.4.1. Regla de las fases en sistemas isomorfos. En sistemas isomorfos, esta varía y se convierte en: !+# =%+1 2.4.2. Microestructura y composición de las fases en equilibrio. Empleando la siguiente imagen, estudiamos la solidificación en condiciones de equilibrio de una fase líquida de composición w0 al disminuir lentamente la temperatura del sistema. A medida que el líquido se va enfriando, sigue habiendo una sola fase líquida hasta que se llega a la temperatura T’, en la que se intercepta la línea de líquidus. A partir de aquí, comienza la solidificación de una solución sólida cuya composición viene dada por la proyección sobre el eje de abscisas del punto de intersección de la isoterma con la línea de sólidus (b). A la isoterma que une las curvas de líquidus y sólidus se le denomina isoterma o línea de coexistencia o de reparto. La composición del sólido en equilibrio con la fase líquida viene determinada por el diagrama, de forma que esta fase sólida es más rica en el componente de mayor punto de fusión que la fase líquida de partida. O -Isoterna I 2 de coexistencia 3 4 2.5. Regla de la palanca: cálculo de las cantidades de cada fase. Suponemos una mezcla entre dos componentes con composición w0, que expresada en función de B llamamos wB, y en función de A wA. Así, wA = 100-wB. Para hallar ambas composiciones, trazamos la isoterma de coexistencia, con una composición wL de fase líquida y wS de fase sólida. Siendo la masa total m la suma de la masa en estado líquido mL y la masa en estado sólido mS, entonces Liquides /0 = /0,2 + /0,3. ↓ - argue ~ b A Sit aschile I Total Sustituyendo en función de las composiciones, al final se llega a que: , -solils ↑ /3 40 − 40,2 43 = / = 40,3 − 40,2 Wa = T /2 45 − 45,2 Ws = 42 = = / 45,3 − 45,2 Ciencia de los Materiales. Tema 2: Diagramas de fases. Página 4  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 2.6. Transformaciones líquido-sólido: transformación eutéctica. En este caso vamos a tratar los sistemas en los que en estado sólido se obtienen estructuras bifásicas. El más simple es en el que existe solubilidad total en estado líquido, e insolubilidad parcial o total en estado sólido, y no existen fases intermedias. Este tipo de diagramas tienen una transformación eutéctica. En ellos aparece un punto invariante, que se denomina eutéctico, y en él coexisten tres fases (dos sólidas y una líquida). Así, pasamos de una fase líquida a dos fases sólidas por enfriamiento, y al revés por calentamiento. Punte entéctive ~ Solvus: Líneas que limitan la solubilidad de un componente en el otro a cada temperatura para las fases 6 8 9, y separan las regiones monofásicas constituidas por las soluciones sólidas de la zona bifásica en la que coexisten dos fases sólidas. Indican el límite de solubilidad de un elemento en otro, en función de la temperatura. 2.6.1. Curvas de enfriamiento en sistemas binarios con eutéctico. Ertectr v Selvus ~ Ciencia de los Materiales. Tema 2: Diagramas de fases. Página 5  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 2.6.2. Microestructura, composición y cantidad de cada fase en equilibrio. Consideramos composiciones menores que el límite de solubilidad, la composición eutéctica, y composiciones que se encuentran comprendidas entre los límites de solubilidad de los dos componentes, dando lugar a: Comienza a Liquidos nucurß ↓ 1 Solicis El liqui restante da paso - a ma matric con lu estructivo entection dentro de la cual los se de B huyan granos Precipitación bordes de en grano En los dos casos de la izquierda, partimos del estado líquido. En el enfriamiento se alcanza la línea de líquidus, y se comienzan a formar cristales de la fase 6. La proporción de sólido va aumentando hasta que se alcanza la línea de sólidus y ya solo existe fase 6 con la composición inicial. En el caso de la segunda composición, al sobrepasar la línea de solvus, la s.s.6 se satura en B, y se difunden átomos de este elemento formando solución sólida 9 (lo cual suele darse en el interior de los granos de 6 o en algunos casos por precipitación en los bordes de grano). En la imagen de la derecha, en ambos enfriamientos partimos del estado líquido también. En el caso de la composición eutéctica, al llegar a la temperatura de transformación esta comienza, coexistiendo las tres fases hasta que se completa la solidificación. La microestructura eutéctica que se forma consiste en láminas delgadas alternas de 6 8 9 (cada grano está formado por constituyente eutéctico bifásico). En el caso de la composición hipereutéctica, partimos de líquido de nuevo, a partir de la línea de sólidus comienzan a nuclear cristales de fase 9 y aún tendremos líquido, y a la temperatura eutéctica, se produce la transformación: el líquido restante da lugar a una matriz con la morfología eutéctica, y los granos de 9 ya creados quedan embebidos (constituyente 9 proeutéctico). A medida que bajamos la temperatura, además aparece la fase 6 en la microestructura eutéctica. Ciencia de los Materiales. Tema 2: Diagramas de fases. Página 6  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 2.7. Transformaciones líquido-sólido: transformación peritéctica. El punto peritéctico es un punto invariante en el que coexisten tres fases, dos sólidas y una líquida. En él se pasa por enfriamiento de una fase sólida y una líquida, a otra sólida, o al revés por calentamiento. # + :; ⇄ := La fase sólida s2 es: bien un compuesto de estequiometría definida, bien una fase intermedia existente en un intervalo de Solic-Lil composiciones. " Punto de fusión congruente: El líquido que se forma tras la Ante peritectio fusión tiene la misma composición que el sólido de partida. En algunos sistemas, los compuestos intermedios tienen un punto de fusión incongruente: el líquido formado después de la Line) sólite fusión tiene distinta composición a la del sólido de partida. Cuando en calentamiento el compuesto AB alcanza la temperatura correspondiente al punto P (peritéctico), funde de manera incongruente, es decir, el líquido formado tras la fusión tiene una composición distinta a la del compuesto AB. En el calentamiento, el compuesto AB, a la temperatura peritéctica funde a temperatura constante generando un sólido B y un líquido L. Transformación congruente: alotrópicas y fusión de materiales puros. Transformación incongruentes: peritéctica, eutéctica. 2.7.1. Curvas de enfriamiento en sistemas binarios con transformación peritéctica. anttectiverticsolide-- Lind Schicl j Elective-(-ArB Ciencia de los Materiales. Tema 2: Diagramas de fases. Página 7  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 2.7.2. Microestructura, composición y cantidad de fases en el equilibrio. coquile Nuckaß Nuden AB Gest gene cid tie de A 2.8. Otras transformaciones líquido-sólido. Monotéctica: Se parte de un líquido con una composición, y por enfriamiento a temperatura constante se forman un sólido y un líquido con composición diferente a la del inicial. Sintéctica: A temperatura constante se llega de dos líquidos con diferentes composiciones e inmiscibles, a un sólido de composición también diferente por enfriamiento. Catatéctica: Enfriando una fase sólida se forman otra fase sólida y una líquida. 2.9. Transformaciones sólido-sólido: eutectoide y peritectoide. Los diagramas con transformación eutectoide presentan un punto invariante en el que coexisten tres fases sólidas en equilibrio (>, 6, 9). En la reacción eutectoide se pasa por enfriamiento, de una fase > a dos fases 6 + 9. Siendo el punto e el correspondiente a la transformación eutectoide y E el correspondiente a la eutéctica: Extection C -- B ~ ~ Extetide 2 - crB Ciencia de los Materiales. Tema 2: Diagramas de fases. Página 8  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA En la reacción peritectoide, dos fases sólidas se transforman en el enfriamiento en una nueva fase sólida de composición diferente. I V v vary Grß ~ varte 2.10. Condiciones de no equilibrio. Hasta ahora, todo lo que se ha obtenido ha sido en condiciones de equilibrio (enfriamiento muy lento). Si por el contrario, el tiempo necesario para conseguir que una solución sólida S1 evolucione a una composición S2 no es suficiente, se van a originar regiones de diferente composición en el sólido, es decir, segregación. Ejemplo: Ciencia de los Materiales. Tema 2: Diagramas de fases. Página 9  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA En este caso, se enfría la aleación de forma rápida desde T0. El primer sólido se forma a temperatura T1 y tiene una composición S1. Si continuamos el enfriamiento se formará una fase sólida de composición S2, permaneciendo la S1. De esta forma, la fase sólida va a tener una composición intermedia entre la S1 y la S2, que en la figura es ?=@ , y así a lo largo de todo el enfriamiento. Además, se puede observar que el segmento ?=@ − #= es mayor que el ?= − #= , por lo que habrá más fase líquida en el enfriamiento rápido, dando lugar a un retraso en la solidificación. Se produce un gradiente de composiciones, que da lugar a segregación en el material. Esto se puede eliminar en las piezas recién moldeadas sometiéndolas a tratamientos de homogeneización, lo cual consiste en calentarlas a altas temperaturas para favorecer la difusión en estado sólido (pero las temperaturas deben ser inferiores a la más baja de las temperaturas de fusión de la aleación). Ciencia de los Materiales. Tema 2: Diagramas de fases. Página 10  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA TEMA 3. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. 3.1. Conceptos básicos. 3.1.1. Propiedades de los materiales. Propiedades mecánicas: Aquellas inherentes a un material, relacionadas con cómo va reaccionar en el momento en que se le aplica una fuerza. Describen la manera en la que el material soporta las fuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tracción, compresión, flexión, torsión, cortadura o cizalladura, impacto, variables o no, y a alta y baja temperatura. 3.1.2. Conceptos de tensión y deformación. Tensión o stress: Fuerza aplicada por unidad de área: ()*+,- !"#$%ó# =. Sus unidades son el Pascal (Pa) o N/m2. Si tenemos.)/*+0121* tracción uniaxial perpendicular a una superficie A: 4 3= Tensión normal 5 Si tenemos una fuerza de cortadura, se divide la fuerza que se aplica por la superficie paralela a esta: 4 6= Tensión de cizalladura 5 Deformación o strain: cambio permanente o temporal en forma o tamaño de un cuerpo debido a las tensiones. Existen tanto normales como tangenciales, y se puede expresar bien en mm/mm, o bien en %. Es adimensional. 7 = 8 − 8: 8: 3.2. Comportamiento a tracción. 3.2.1. Ensayo de tracción. Las propiedades a tracción suelen estar incluidas habitualmente en las especificaciones del material, y representan un criterio de aceptación o rechazo de este, además de permitir comparaciones con otros. A través de ellas se puede predecir el comportamiento de un material en condiciones distintas a carga uniaxial. Es un ensayo normalizado y destructivo. Se aplica una carga creciente sobre la probeta, y se mide la carga aplicada y el alargamiento en el extensómetro. Ciencia de los Materiales. Página 1  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA Los datos recogidos en este ensayo pueden representarse gráficamente, dando lugar a la curva carga-extensión. 3.2.2. Curva tensión-deformación ingenieril. En lugar de representar la fuerza frente a la extensión, representamos la tensión frente a la deformación y obtenemos la curva tensión (s)-deformación (e) ingenieril. Siendo A0 la sección transversal de la probeta y L0 la longitud base o inicial del extensómetro: 4 Δ8 8 − 8: Tensión ingenieril $ = ; "= = Deformación ingenieril 5: 8: 8: La forma de esta curva es la misma que la de carga-alargamiento. No depende de las dimensiones de la probeta. 3.2.3. Curva tensión-deformación verdadera. ( Puesto que 3 = y que 8 · 5 = 8: · 5: , tenemos que: 3 = $(" + 1). Esta expresión solo > puede usarse hasta que comienza la estricción (estrechamiento localizado). Una vez superado ese punto, la tensión verdadera debe calcularse con la carga y sección instantáneas. Deformación verdadera o true strain (7) se define también con medidas intantáneas: D8 D7 = → 7 = ln (1 + ") 8 Y de nuevo es solo válida mientras la deformación es uniforme a lo largo de la probeta. Después de la estricción: 7 = ln (5: /5). Ciencia de los Materiales. Página 2  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 3.2.4. Deformación elástica. Módulo elástico. En los materiales cristalinos, se distinguen dos zonas en la curva de tensión-deformación: Zona I: Al retirar la carga, aún se recupera la forma inicial, hay una deformación elástica (régimen elástico). Zona II: En esta zona la forma inicial ya no se recupera, si no que queda una deformación permanente, una deformación plástica (régimen plástico). En muchos materiales metálicos, encontramos que la zona I de la curva mantiene una relación lineal entre tensión y deformación. La pendiente de esta recta es el módulo elástico del material E (o módulo de Young), y tiene dimensiones de tensión (aunque es una constante elástica y no una tensión). Este módulo es una medida de la rigidez del material, es decir, está relacionado con la resistencia que opone a ser deformado elásticamente. Cuando existe esta relación lineal, se cumple la ley de Hooke: 3 =I·7 El valor del módulo elástico disminuye al aumentar la temperatura. Está relacionado también con la fuerza que hay que aplicar para separar átomos adyacentes, por lo que es proporcional a la pendiente de la curva F-r (fuerza de atracción atómica-distancia interatómica) en el punto K( correspondiente a la distancia de equilibrio I ≈. K+ +L Referención gox Describe conco se expande o contras un muleral Otras constantes elásticas son: , ~ NO NQ en la dirección perpendicular a la fuerza aplicada Módulo de Poisson: M = − =− (isótropo). NP NP cicalladasdeformación por cosalladia > Esfuerzo de material ante Módulo elástico a cizalladura: 6 = R · S -cuan > - Millo eleistic vigado Lungeneiles es un fuerzas Y se relacionan E y G como: I = 2R · (1 + M) (para pequeñas deformaciones). 3.2.5. Límite elástico. El límite elástico (Rp, yield strenght,3U ) es aquella tensión ingenieril para la cual comienza a haber deformación plástica (permanente, irrecuperable) en el material (la máxima que soporta antes de que se dé deformación plástica). Marca la frontera entre régimen elástico y régimen plástico. Ciencia de los Materiales. Página 3  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA Es una medida de la resistencia a la deformación plástica. Muchas veces es difícil distinguir este punto en una gráfica, por lo que definimos el límite elástico convencional, el cual se corresponde con la tensión para la cual el material ha experimentado una deformación permanente establecida en 7 = 0.002 = 0.2%. Se expresa como Y/:,[ , y se obtiene trazando una recta paralela al tramo elástico por el punto de deformación 0.002. El punto de corte con la curva marca la tensión correspondiente al límite elástico convencional. Una vez superado el límite elástico, para una misma deformación se empieza a necesitar una mayor tensión. Decimos que estos materiales endurecen por deformación plástica. Si descargamos y volvemos a cargar, la curva que sigue el segundo ensayo asciende por la recta que ha seguido en la descarga, y habrá aumentado la tensión necesaria para comenzar a deformar plásticamente, es decir, habrá aumentado el límite elástico → endurecimiento por acritud. Es una forma de aumentar 3U , Y\ y su dureza (menor ductilidad). Esto se debe a que con la deformación plástica se crean dislocaciones, aumenta su número, y se necesita más tensión para moverlas. 3.2.6. Resistencia a tracción. Se define como la máxima tensión ingenieril que el material es capaz de soportar durante el ensayo de tracción (Rm) (MPa). Se obtiene como: 4\á^ Y\ = _: Siendo Fmáx la carga máxima registrada en el ensayo, y S0 la sección transversal inicial de la probeta. Guarda poca relación con la resistencia del material si se somete a estados de carga de mayor complejidad y no solo uniaxial. En materiales frágiles, no existe prácticamente deformación plástica y en su caso, la resistencia a tracción sí es un criterio válido de diseño. En algunos casos, tras alcanzar la carga máxima se forma una estricción, de manera que en esa zona, la sección transversal real se reduce. Por esto, a partir de la tensión máxima, la tensión ingenieril comienza a disminuir (la sección utilizada en el cálculo es constante mientras que la carga disminuye). Varía mucho el valor teórico frente al real debido a defectos que amplifican las tensiones. Ciencia de los Materiales. Página 4  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 3.2.7. Plasticidad y ductilidad. Plasticidad: Capacidad general de un material para ser deformado plásticamente sin romperse. Ductilidad: Capacidad de un material para ser deformado en forma de hilos De ahora en adelante los asumimos como sinónimos. L `a b`c Capacidad para sosten deformación Alargamiento porcentual a rotura, A(%): 5 % = `c · 100 donde Lf es la longitud final antes de compens pluética entre marcas y Li es la longitud inicial..L b.a Coeficiente de estricción, Z(%): d % = · 100 donde S0 es la sección inicial.L transversal de la probeta y Sf la sección final (cuya resta es la variación máxima). Cuanto mayor sean A(%) o Z(%), mayor es la plasticidad. El concepto opuesto a este se denomina fragilidad. 3.2.8. Fractura. Rotura instantánea: no tiene desarrollo de grietas internas que se propaguen hasta la rotura final. Roturas progresivas: se forman grietas en el interior del material. se propagan y producen la rotura final. Rotura dúctil: Conlleva una deformación plástica, con absorción de energía antes de llegar a la rotura. También puede tener asociada la generación de una zona de estricción o deformación localizada. (Se desarrolla por nucleación, crecimiento y coalescencia de vacíos). En muchas ocasiones, a nivel macroscópico la rotura es en forma “copa y cono”, teniendo lugar la rotura final cerca de la superficie por cizalladura a 45º. Rotura frágil: No presenta estricción (no hay deformación plástica apreciable), por lo que macroscópicamente la rotura genera una zona plana. Se ve favorecida por bajas temperaturas, altas velocidades de deformación y por la presencia de un estado triaxial de tensiones (como en entallas). (Un posible mecanismo es la descohesión de planos cristalinos). Puede ser transgranular o intergranular. 3.3. Dureza. 3.3.1. Definiciones. Dureza (H, hardness): propiedad relacionada con la resistencia que opone el material a ser deformado plásticamente. Está relacionada de manera directa con el límite elástico del material. Para uso industrial, el estudio de la dureza de un material se realiza a través de ensayos cuantitativos o de penetración, y el valor de dureza que se obtiene se interpreta como la resistencia que opone un material a ser penetrado por otro. Este valor se obtiene mediante una relación entre la carga que se aplica sobre el material y alguna dimensión de la huella que deja. Los equipos se denominan durómetros. Ciencia de los Materiales. Página 5  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA Si el material es blando, la huella será mayor y el número de dureza pequeño. Si por el contrario es un material duro, la huella será menor y el número de dureza mayor. La carga que se aplica debe ser elegida en función de la dureza del material. Los ensayos son sencillos, rápidos y no destructivos. La superficie de medida debe ser plana y perpendicular al eje del durómetro, sin óxido ni suciedad. Siempre es preciso hacer al menos dos medidas. 3.3.2. Escalas de dureza. Brinell (HBW): penetrador en forma esférica, de metal duro. Ejemplo: 128 fgh 2,5 62,5 donde la fracción es un índice que se corresponde con el diámetro de la bola en kk y la carga K1á\*q+r s)*tt- aplicada en lmn. Solo se puede emplear cuando se cumple que 0,24 < < 0,6. Si es K1á\*q+r urt- un material con grandes heterogeneidades se emplea este método ya que permite el penetrador de más tamaño y por lo tanto un resultado más representativo. Vickers (HV): penetrador de diamante en forma de pirámide recta de base cuadrada y con ángulo prefijado en las caras opuestas. La norma europea solo admite valores de carga de 5, 10, 20, 30, 50 y 100 lmn, y se escribe como: 74 fw 30 ya que la superficie de la huella es directamente proporcional a la carga aplicada. Rockwell (HR): penetrador tanto de diamante como de acero o metal duro. Consta de una carga preliminar o precarga, y una carga adicional. Se mide el incremento de profundidad de la huella. Hay hasta 24 escalas diferentes designadas con letras, ya que el intervalo de medida con buena respuesta es estrecho en dichas escalas. 3.4. Tenacidad. 3.4.1. Definición. Se define como la energía total que es capaz de absorber un material durante el proceso de deformación plástica hasta la rotura. Se mide en julios (1y = 1z · k). Es una combinación de resistencia y ductilidad. Puede estimarse a partir del ensayo de tracción, como el área bajo la curva del ensayo (correspondiente a la zona de deformación plástica), o se mide mediante el ensayo Charpy la energía que absorbe el material tras un impacto, la cual aumenta cuanto mayores sean el límite elástico, la resistencia a tracción y la ductilidad. 3.4.2. Transición dúctil-frágil. Se puede observar que en metales con red cristalina cúbica centrada en el cuerpo y también polímeros termoplásticos, si se representa la tenacidad a impacto frente a la temperatura del ensayo, se produce una drástica disminución de la energía absorbida en un pequeño intervalo de temperaturas. Poseen por lo tanto, una temperatura de transición dúctil-frágil. Por encima de esta tenemos un material dúctil y por debajo, un material frágil. Esta transición varía si cambia la composición. Ciencia de los Materiales. Página 6  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 3.5. Tenacidad de fractura. El comportamiento de los materiales frente a las cargas aplicadas varía si contienen grietas u otro tipo de defectos. En el caso de grietas, la mayor concentración de tensiones se da en su extremo (mayor cuanto menor sea el radio en la punta de la misma). La magnitud de estas tensiones se mide con el factor de intensidad de tensiones o tenacidad a fractura, K. Esta varía con el espesor de la placa (no se considera propiedad mecánica): espesor grande implica deformación plana, y espesor pequeño implica tensión plana. Si llamamos a a la longitud de la grieta en el caso de que sea lateral (o a la semilongitud si es interna), 3 a la tensión aplicada, e Y a un factor adimensional cercano a 1, se define el factor de intensidad de tensiones como: { = |3 }~ Ä~ · k Su valor máximo (Kc) o crítico, es el máximo admisible por el material, y si se sobrepasa la grita crece de forma instantánea llegando a la rotura. Debido a que su valor experimental se halla en modo I de apertura de grieta (a tracción), se denomina KIC (no depende del espesor y se considera una propiedad mecánica). Para elegir un espesor adecuado se debe tener en cuenta que el ensayo solo es válido si se cumple: [ {ÇÉ g ≥ 2,5 Y/:,[ Despejando de la primera ecuación, definimos la carga máxima admisible en servicio como: {ÇÉ 32 ≤ | }~ Y de esta misma forma, definimos el tamaño crítico de grieta, antes del fallo catastrófico: [ 1 {ÇÉ ~2 = } 3| Existen tres modos de fractura: modo I de tracción, modo II de deslizamiento y modo III de desgarre. Ciencia de los Materiales. Página 7  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA TEMAS 4 Y 5. MATERIALES POLIMÉRICOS (I). Un material polimérico está constituido por grandes moléculas, a su vez compuestas por numerosas unidades químicas enlazadas entre sí. Cada “eslabón” en la cadena se denomina unidad monomérica. La reacción de formación del polímero se llama polimerización. La longitud de las cadenas es variable, siendo por ejemplo en polietilenos comerciales de entre 103 y 104 unidades de etileno por molécula. Tienen una estructura química muy sencilla, con una base covalente, pudiendo además existir algún otro tipo de enlace y fuerzas de interacción. Su gran tamaño es lo que les proporciona propiedades interesantes. 4.1. Clasificación. 4.1.1. Por su procedencia. Naturales: Fibroína de la seda, o caucho natural. Caucho natural: Fibroína de la seda: Sintéticos: Son fabricados por el hombre para obtener materiales con mejores propiedades según la aplicación. (Polietileno, poliestireno, nailon 6, poliaramida (Kevlar), poli(dimetilsiloxano) o (PDMS). Polietileno (PE): −"#$ − "#$ − % Poliestireno (PS): (el radical se puede escribir también como C6H5). 4.1.2. Por su estructura. Homopolímeros: Están formados por unidades monoméricas iguales. ∼ ((((((((((( ∼ Copolímeros: Están compuestos por dos unidades monoméricas diferentes, y se clasifican según la disposición de estos en: Copolímeros al azar: ∼ (()(()))())(((()) ∼ Copolímeros alternados: ∼ ()()()()()()()()() ∼ Copolímeros en bloque: ∼ ((((())))) ∼ * ∼ (((())))(((( ∼ Copolímeros de injerto: Un monómero forma la cadena principal y el otro las laterales. La copolimerización origina productos nuevos con propiedades distintas de los Homopolímeros, las cuales pueden ser intermedias o completamente diferentes. Si hay tres unidades monoméricas se llama terpolímero. Ciencia de los Materiales. Temas 4 y 5: Polímeros I. Página 1  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 4.1.3. Por su composición. Orgánicos: Tienen cadenas carbonadas, y suelen presentar átomos de H, O, N, S y halógenos. Inorgánicos: Con cadenas principales de Si, P, o S, como las siliconas. 4.1.4. Lineales, ramificados y reticulados. Lineales y ramificados: cadenas independientes lineales o ramificadas que pueden ser separadas sin romper ningún enlace químico por, por ejemplo, disolución. Reticulados: formados por cadenas o moléculas que se entrecruzan formando enlaces químicos y así una red tridimensional. No se pueden separar sin romper estos enlaces. 4.1.5. Clasificación tecnológica. Termoplásticos: Cadenas lineales o ramificadas. Fluyen por calor y pueden disolverse en líquidos. Conformado por calor. Pueden ser recalentados y reformados. Elastómeros: Redes abiertas. Cadenas lineales flexibles ligeramente reticuladas ( = ^> · _. A través de un calibrado previo, se relaciona Ve con la masa molecular del polímero que eluye con ese volumen: es una técnica relativa de determinación de masas moleculares. 4.5. Polimerización. Es la reacción de formación de un polímero a partir de un compuesto monomérico. 4.5.1. Polimerización por adición en cadena. Monómeros de tipo insaturado: se abren los dobles enlaces dando lugar al polímero (método más utilizado para obtener polímeros vinílicos y diénicos). Se obtienen polímeros atácticos de la polimerización radical. Inhibidores: fenoles y quinonas (para el almacenamiento) -Amorfas Moléculas cíclicas: se abren y se adicionan a la cadena. La apertura de dobles enlaces se realiza mediante iniciadores iónicos o generadores de radicales libres. El proceso consta de: Iniciación: el iniciador genera radicales libres que se unen al monómero abriendo el doble enlace e iniciando el proceso. Propagación: los monómeros se van uniendo al radical iniciado formando las cadenas poliméricas. Terminación: desactivación de las cadenas (por combinación o por dismutación). La iniciación es la parte más lenta, al contrario que la propagación que es la más rápida. La velocidad de polimerización es mayor cuanto mayor es la concentración de monómero y de iniciador. Aun así, para obtener cadenas muy largas se necesita baja concentración de iniciador y altas concentraciones de monómero. La terminación también es rápida. Este tipo de reacción es muy exotérmica, y hay riesgo de sobrecalentamiento e incluso explosión, por lo que se prefiere su realización en disolución (esto da un mejor control de la temperatura, pero tenemos el problema de tener que eliminar el disolvente y de que estos suelen ser tóxicos). Las más usadas en industria son las polimerizaciones en suspensión y en emulsión en agua (se controla bien la temperatura y el polímero se obtiene en forma de bolitas). En algunos casos (como la pintura por ejemplo), el polímero se emplea tal cual, sin posterior tratamiento ni purificación. Ejemplos: Polietileno (PE), poliestireno (PS), polipropileno (PP), poli(metacrilato de metilo) (PMMA), poli(cloruro de vinilo) (PVC), teflón… Ciencia de los Materiales. Temas 4 y 5: Polímeros I. Página 5  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 4.5.2. Polimerización en etapas: policondensación. Partimos de monómeros bifuncionales que dan lugar al polímero por reacción entre los grupos funcionales. Ejemplos: poliésteres obtenidos a partir de grupos ácido (-COOH) y alcohol (-OH), y las poliamidas obtenidas por reacción entre grupos ácido y amina (-NH2); policarbonatos y poliuretanos. En la primera etapa se forman dímeros (se unen dos monómeros). En la etapa siguiente, estos dímeros se unen y forman tetrámeros, o bien los dímeros se unen con monómeros que han quedado sin reaccionar y forman trímeros. A partir de aquí continúan reaccionando entre sí. Características: En los primeros instantes desaparece el monómero. No aparecen M grandes hasta tiempos de conversión altos. Exotérmicas. No existe terminación. Catalizadores (ácidos). Velocidad de reacción disminuye con el tiempo. Existe la posibilidad de controlar la masa molar utilizando proporciones no estequiométricas de los reactivos (será limitante el que esté en defecto). (Para fabricación de fibras). 4.5.3. Diferencias entre polimerización en cadena y en etapas. EN CADENA EN ETAPAS Gran exotermia Poca exotermia La concentración del monómero disminuye Los monómeros se consumen totalmente ya en gradualmente durante la reacción el comienzo de la reacción quedando menos del 1% al final La velocidad de reacción aumenta con el La velocidad de reacción es máxima al tiempo hasta un máximo comienzo y posteriormente disminuye Se forman polímeros de alto peso molecular El peso molecular va aumentando durante la desde el inicio de la reacción reacción La composición química del polímero es igual La composición química del polímero es que la del monómero que lo origina diferente de la de los monómeros que lo originan 4.6. Estados amorfo y cristalino en polímeros: transiciones térmicas. En estado amorfo las cadenas se disponen de forma desordenada en conformaciones ovilladas. En estado cristalino existe un orden tridimensional a largo alcance, y las cadenas adoptan conformaciones fijas extendidas (como la extendida en zig-zag o helicoidal). Estas conformaciones permiten que las cadenas se alineen paralelas en empaquetamiento compacto formando las unidades cristalinas. Las transiciones térmicas existentes son: en estado amorfo la transición vítrea (Tg), y en estado cristalino la fusión (Tm) Ciencia de los Materiales. Temas 4 y 5: Polímeros I. Página 6  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 4.6.1. Estado amorfo y transición vítrea. Cuando el fundido de un sólido amorfo se enfría, existe una temperatura a la cual los movimientos segmentales de largo alcance cesan, y se forma un sólido amorfo o vidrio. Esta temperatura se llama temperatura de transición vítrea, Tg, y depende de la estructura química del polímero. La mayoría de los polímeros se pueden obtener fácilmente en estado amorfo por rápido enfriamiento del fundido. Muchos se obtienen totalmente amorfos y permanecen en este estado durante toda la vida del material. Algunas de sus características son: Son frágiles y duros a bajas temperaturas (T ) necesaria para mantener esa deformación. Para tracción uniaxial (si las deformaciones son de ; < 1% , la tensión en proporcional a la deformación y puede calcularse el módulo elástico en función del tiempo: =(>) @ > = ; Fluencia: Se somete la probeta a tensión constante y se mide ;(>). Se calcula el módulo de fluencia o docilidad como: ;(>) A > = = El módulo elástico en los polímeros varía mucho con la temperatura. Conocer esta dependencia es el primero objetivo para las aplicaciones de los polímeros. Los termoplásticos amorfos en estado vítreo (( < () ) tienen un @ ∼ 10B DE (comportamiento de sólido rígido). Cuando aumenta la temperatura y se acerca a la Tg , el módulo disminuye, cayendo a valores de ∼ 10F DE; pierde rigidez y adquiere aspecto gomoso, permaneciendo el módulo prácticamente constante en un intervalo de temperaturas. Esto se debe a la presencia de enmarañamientos que impiden el flujo, pero que se pueden deshacer con aumentos de temperatura, con lo que comenzaría el flujo viscoso. La variación del módulo elástico con la temperatura es similar en todos los polímeros amorfos (la mayor diferencia reside en la temperatura a la que se produce la caída del módulo). Curvas (1) y (2) amorfos; curvas (3) y (4) reticulados; curva (5) cristalinos. (M(1) < M(2)). Ciencia de los Materiales. Temas 6 y 7: Polímeros II. Página 5  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 6.2.2. Curvas tensión-deformación. Los polímeros termoestables y termoplásticos a ( < () tienen un comportamiento frágil. En cambio, los semicristalinos a temperaturas () < ( < (9 (entre ellos termoplásticos de uso común) tienen comportamiento dúctil. El comportamiento elastomérico se verá en el siguiente apartado y es típico de cauchos (con deformaciones de hasta 1000% con tensiones relativamente bajas del orden de 15MPa). Punto de fluencia ↓ Fluencia y estirado en frío: Las curvas de tensión-deformación en polímeros dúctiles inicialmente son lineales. Sin embargo, si continuamos aumentando la deformación llegan a una zona en la que la pendiente de la curva se hace cero. Esta condición define el punto de fluencia (yield). Puede que el polímero rompa inmediatamente después del punto de fluencia, o puede que alcance grandes deformaciones antes de romper (los más dúctiles). A medida que aumenta la deformación el aumento de tensión disminuye hasta alcanzar un máximo (el punto de fluencia =G , y la deformación de fluencia ;G ). El punto de fluencia o límite elástico en metales indica el punto a partir del cual existe deformación plástica permanente, pero en polímeros es mucho más difícil de distinguir entre deformación recuperable y no recuperable, puesto que depende de la temperatura y del tiempo esperado para la recuperación. Curvas de tensión-deformación para el polietileno (PE) 80% cristalino a temperatura ambiente: En el endurecimiento por deformación, las cadenas o trozos de cadenas que estaban en conformación desordenada formando el material, se orientan en la dirección de la fibra y en parte cristalizan.. Ciencia de los Materiales. Temas 6 y 7: Polímeros II. Página 6  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA Deformación en frío: Se estira el polímero antes de ser utilizado. Se alinean las cadenas en la dirección del estirado: a) Aumenta el módulo elástico en la dirección de estirado. b) Aumenta la resistencia en la dirección del estirado. c) Disminuye la ductilidad. El templado después del estirado anula los efectos del estirado Transición frágil-dúctil: La fractura puede ser dúctil o frágil dependiendo de la velocidad de deformación y de la temperatura. El aumento de temperatura favorece el fallo dúctil. Las velocidades de deformación rápidas favorecen el fallo frágil. Los termoplásticos presentan temperatura de transición frágil-dúctil al aumentar la temperatura y al disminuir la velocidad de aplicación de la carga. 6.2.3. Comportamiento elastomérico. Elastómeros: Polímeros de cadena flexible que se han reticulado ligeramente mediante enlaces químicos. A ( > () pueden aumentar hasta diez veces su tamaño, y al retirar la carga recuperar rápidamente su dimensión original. Lo interesante es tener este comportamiento en intervalos amplios de temperatura que incluyan a la ambiente (que tengan Tg muy bajas de unos -50ºC a -70ºC). Las cadenas están ovilladas, al estirar las cadenas se desovillan y orientan en la dirección de estiramiento. Al retirar la carga recuperan el tamaño inicial. A ( < () son sólidos frágiles. Las curvas tensión-deformación de los elastómeros se inician con una pendiente muy baja (@ ∼ 10F DE). La curva aumenta progresivamente; en esta zona se recupera la deformación al retirar la carga. La rotura se puede dar con deformaciones de hasta el 1000%. A veces, al final presentan una subida brusca que corresponde con la cristalización inducida por la deformación. Se caracterizan por módulos elásticos bajos y altísimas deformaciones recuperables. El módulo elástico aumenta al aumentar la temperatura, ya que al ocurrir esto, aumenta el número de conformaciones accesibles y por lo tanto la fuerza retráctil. 6.2.4. Resistencia al impacto. La resistencia al impacto determina la capacidad de un material para mantener su integridad estructural y absorber energía sometido a cargas de impacto. La determinamos midiendo la energía necesaria para fracturar una probeta de determinadas dimensiones con una entalla, empleando un péndulo. La mayoría de los termoplásticos a T Modelo elasticial material compuesto () = +, (, + 1 − +, (0 > Fracción de fibras - Fracción de matriz 2 2 2 2 1) = 1, [+, + +0 (0 (, ; 6787 (, ≫ (0 1) = 1, +, Ciencia de los Materiales. Página 2  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA En tracción transversal: 1 +, +0 : (0 : = ( + ( ⟶ () ≈ + () , 0 0 En un MCMP interesa un Vf lo más alto posible, pero por consideraciones geométricas y de resistencia a impacto y tolerancia al daño, no se debe superar el 65%. Bajo tracción, la existencia de la matriz provoca que la rotura de la primera fibra rara vez genere la rotura de la lámina unidireccional. Hace que se pueda aumentar la carga sobre la lámina, generando fracturas distribuidas aleatoriamente sin que falle la lámina. Bajo compresión, la matriz permite que las fibras no ondulen y que sean capaces de transmitir las cargas. A mayor rigidez de la matriz mayor estabilidad en las fibras. En los materiales compuestos de matriz polimérica, la principal limitación está en las delaminaciones que se generan en la fabricación o durante el servicio, ya que puede provocar un descenso de hasta el 50% de su resistencia a compresión. La resistencia a delaminación aumenta si se aumenta la tenacidad de la matriz. 9.5. Fabricación de MCMP: 1) Fibras + matriz polimérica → preimpregnado (cinta unidireccional o tejidos) 2) Laminado: colocación de tejidos bien en la misma dirección (unidireccionales), bien en diferentes direcciones (0,90,+45, -45). Este último podrá o no ser equilibrado y/o simétrico. 3) Colocación de la cinta de forma manual o automática, o por devanado de filamentos. 4) Curado en bolsa de vacío. Ciencia de los Materiales. Página 3  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 9.6. Ventajas y limitaciones de los materiales compuestos. Ventajas Limitaciones Precio relativamente elevado Bajo peso Escasez de reglas “estándar” de diseño Alta resistencia específica Sensibilidad frente al medioambiente Alta rigidez específica Dificultad de reparación Buen comportamiento a fatiga Baja resistencia interlaminar y a impacto Elevado amortiguamiento estructural Falta de conocimiento total de comportamiento Insensibilidad a corrosión Consideraciones medioambientales Menos operaciones de integración Procesos de fabricación complejos Facilidad de encolados estructurales Inspección no-destructiva poco desarrollada Obtención fácil de formas complejas Baja ductilidad Expansión térmica baja o nula Ausencia de apantallamiento EM 9.7. Aplicaciones. En el YF-22, un 26% de material compuesto (empenaje, fuselaje posterior, medio y anterior, ala) En el EFA más del 50% de material compuesto entre fibra de carbono y de vidrio. En la aviación comercial se parte de menos de un 5% en los 70, hasta más del 50% hoy en día en el Boeing 787 por ejemplo, con alrededor de un 25% en el A380. También se usan en vehículos espaciales. 9.8. Datos. Ciencia de los Materiales. Página 4  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA TEMA 10. MATERIALES CERÁMICOS. Son inorgánicos y NO metálicos, constituidos por elementos metálicos y no metálicos como C, N, y O. Forman enlaces iónicos y/o covalentes, tienen una composición química variada y se procesan a altas temperaturas. Características Duros, frágiles, tenacidad y ductilidad bajas. Buenos aislantes eléctricos. Baja conductividad térmica. Temperaturas de fusión relativamente altas. Estabilidad química (por sus fuertes enlaces. 10.1. Clasificación de cerámicos. Tradicionales Ingenieriles o técnicos Productos de tierra Vidrios: Constan de cocida: Composición Cementos: generador (SiO2), básica : arcilla Son puros, o casi puros (materias primas Composición: fundente (Na2O y (Al2O3·2SiO2·2H2O), naturales o sintéticas): SiC, NB, Al2O3, (SiO2, Al2O3, K2O), y modificador feldespato Si3N4… CaO) (PbO,CoO,Fe2O3) (Al2O3·6SiO2·K2O) y sílice (SiO2) Cristalinos Amorfos No óxidos: Silicatos: arcillas, feldespatos y micas. incluyen sales Tienen una unidad fundamental de Vidrios: Los comerciales están Óxidos: basados en la sílice. Se forman predomina el iónicas como silicio unido covalentemente a cuatro BaTiO3 o KNbO3, oxígenos (tetraédrico). por los mismos tetraedros que enlace iónico los cristalinos pero de manera (MgO, ZrO2) o sólidos covalentes como: desordenada. SiC, BN, WC, C(diamante). Ciencia de los Materiales. Página 1  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 10.2. Procesado de materiales cerámicos. Se busca obtener productos de máxima compactación o densificación, con formas acabadas y una pureza controlada. Para esto hay que pasar por tres etapas: a) Preparación del material o elaboración de polvos: En cerámicos tradicionales se emplea la molienda (molino de bolas), pero tiene inconvenientes como aglomeración y tamaños de partículas elevados. En cerámicos técnicos utilizamos reacciones en fase vapor (los reactivos están en fase vapor y se obtienen partículas cerámicas muy pequeñas y duras), oxidación directa (se obtiene un polvo cerámico monocomponente) y descomposición de sales ("#$%& + )*+,- → $%/ + "#%). b) Compactación o elaboración de la preforma: Se puede realizar en condiciones secas o plásticas. Los polvos cerámicos se mezclan con agua o bien un disolvente (un aditivo) para así conseguir una pasta con cierta fluidez, y después se procede a la elaboración de la preforma. Tenemos: Prensado Colada Extrusión c) Tratamiento térmico: En esta etapa se adquiere la resistencia final (es la más importante). En cerámicos tradicionales el proceso se compone de secado y cocido. Arcillas Porcelanas Secado a 100ºC, y eliminación de aglutinantes a 200-300ºC Cocido a 1100ºC: ocurren reacciones Se calientan hasta 1200ºC. Los en estado sólido en las que las óxidos alcalinos que contienen partículas tienden a disminuir su actúan como fundentes, la fase energía superficial. Las pequeñas vítrea rellena poros y al enfriar coalescen formando otras más vitrifica de nuevo. grandes → sinterización. Ciencia de los Materiales. Página 2  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA En cerámicos técnicos se da una sinterización a alta temperatura (unos 2/3 de la de fusión), y pasamos de un material poroso a un producto denso. A veces además se añade un gas (sinterización reactiva). 10.3. Propiedades térmicas de los cerámicos: 10.3.1. Conductividad térmica 1: Se define como la cantidad de calor en calorías que pasa en un segundo a través de un cubo de arista un metro, entre cuyas caras opuestas existe una diferencia de un grado (cal/(s·m·ºC)). En los cerámicos en general es baja, y en esos casos se utilizan como materiales refractarios (en revestimientos de hornos, por ejemplo). Sin embargo en algunos casos no es baja, por ejemplo en SiC, BeO, grafito o diamante. En los cerámicos, la energía térmica se transmite a través de las vibraciones de red (fonones). Λ de los compuestos puros > Λ mezclas. Λ de los cerámicos cristalinos > Λ cerámicos vítreos. Esto ocurre porque la estructura desordenada favorece la dispersión de los fonones. La porosidad también disminuye Λ. El aumento de temperatura disminuye Λ en cerámicos técnicos, pero en tradicionales aumenta porque aumenta la densificación. Cerámicos densos (menor porosidad): mayor resistencia química pero mayor Λ. Cerámicos refractarios: baja Λ y alta porosidad. 10.3.2. Coeficiente de expansión térmica: Al aumentar la temperatura hay un aumento en la vibración térmica de los átomos, y por lo tanto un aumento de la distancia de separación media entre átomos adyacentes. De esta forma, en general, la dimensión global del material aumentará al aumentar la temperatura. Esto se refleja en el coeficiente de expansión térmica: 1 76 3= 6 78 Estructuras cerámicas iónicas: son compactas y no existe espacio para absorber el aumento de amplitud de la vibración. Estructuras cerámicas covalentes: parte del aumento en la amplitud de vibración puede absorberse en el espacio vacío de la estructura, lo que va a suponer una variación en los ángulos de enlace. 10.3.3. Resistencia al choque térmico: El choque térmico habla de las tensiones de origen térmico que se originan en un material al ser expuesto a una diferencia de temperaturas entre la superficie y el interior o entre varias regiones del componente. La resistencia al choque térmico está relacionada con la conductividad térmica y con el coeficiente de expansión. La mejoran una alta conductividad térmica (no se dan gradientes térmicos importantes), y un bajo coeficiente de expansión térmica. Ciencia de los Materiales. Página 3  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 10.4. Propiedades mecánicas de los cerámicos: Alto módulo elástico → fractura frágil. Resistencia a tracción ≪ Resistencia a compresión ; debido a la porosidad. Fatiga estática: pérdida de resistencia al ser sometidos a carga no cíclica, destruyéndose la red de silicatos por el agua. Fluencia: es importante porque los utilizamos a altas temperaturas. La resistencia mecánica de un cerámico disminuye con el aumento de volumen de poros. 10.5. Mecanismos de aumento de la tenacidad en cerámicos: 10.5.1. Transformación martensítica: La circona es un óxido refractario de gran estabilidad química, pero sus temperaturas de uso están limitadas por transformaciones térmicas. Pasa de monoclínica a tetragonal a unos 1170ºC, y a cúbica a unos 2370ºC. Sus propiedades son: Densidad E (GPa) KIC(MPa·m1/2) Tm (ºC) Λ(w/mK) 3 (10-8)(K-1) (g/cm3) 5,6 200 4-18 2570 1,5 8 Si le añadimos CaO, MgO, o Y2O3, la estructura cúbica de la circona estabiliza a temperatura ambiente, y se le llama circona totalmente estabilizada. Si la calentamos a 1500ºC, con la fase tetragonal como estable, se comienzan a separar partículas cristalinas muy pequeñas, formando una matriz de estructura cúbica junto a partículas muy pequeñas con estructura tetragonal (PSZ-circona parcialmente estabilizada). En la PSZ la fase tetragonal es metaestable a temperatura ambiente. En este proceso, al cambiar los volúmenes se han formado grietas, y bajo la acción de tensiones, en las puntas de grieta la fase tetragonal se transforma localmente en la fase monoclínica (transformación martensítica), que es la forma estable a temperatura ambiente, provocando una expansión de volumen que genera tensiones de compresión y cierra la grieta, aumentando notablemente la tenacidad del material. 10.5.2. Reforzamiento por microgrietas: Las microgrietas se generan en mezclas de componentes con distinto coeficiente de expansión, una sola fase muy anisótropa o en el proceso de fabricación. Si la energía de la partícula es mayor que la energía de la matriz, la grieta se desviará hacia el borde de la partícula. Si por el contrario, la energía de la partícula es menor que la de la matriz, la grieta se desviará hacia la partícula. Ciencia de los Materiales. Página 4  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 10.6. Propiedades eléctricas de los cerámicos: Los cerámicos no son conductores de la corriente eléctrica por su ausencia de electrones de conducción como consecuencia de sus enlaces covalentes e iónicos. Por esto, se utilizan como aislantes. También tenemos cerámicos ferroeléctricos. En algunos cerámicos iónicos, la celdilla no tiene centro de simetría, es decir, tiene un pequeño dipolo eléctrico. Si lo situamos frente a un campo eléctrico, los dipolos se alinean con la dirección del campo, dando lugar a polarización. La presencia de polarización en el material después de retirar el campo (alineación residual de dipolos permanentes) es la ferroelectricidad. En los ferroeléctricos se da un fenómeno denominado efecto piezoeléctrico. Esto posibilida la conversión de energía mecánica en energía eléctrica y viceversa. Un ejemplo es el TiBaO3, en el que hay una polarización debido a los dipolos permanentes consecuencia de la asimetría en la celdilla. En él, un esfuerzo de compresión cambia las distancias entre los dipolos, cambiando la polarización e introduciendo un voltaje. Esto también funciona al revés, si aplicamos un voltaje, esto provoca un cambio en la polarización y en consecuencia un cambio en las dimensiones en la dirección del campo aplicado. Alúmina (Al2O3) Muy estable químicamente Resistente a la oxidación y reducción Baja resistencia al choque térmico Buen aislante térmico Aplicaciones eléctricas de calidad Zircona (ZrO2) PSZ Buenas propiedades mecánicas a T ambiente Inestable a altas T Aplicación para resistencia al impacto. Alúmina-Zircona (Al2O3-ZrO2) Aúna propiedades de ambos. Herramientas de corte Titanato de aluminio (TiO2·Al2O3) Muy bajo 3 Se utiliza para aplicaciones que necesiten resistencia a choque térmico y a corrosión SiAlON (nitruro de silicio y óxido) Resistencia mecánica y a impacto razonables Propiedades refractarias Carburo de Silicio (CSi) Elevada resistencia a T ambiente y elevadas Gran resistencia a corrosión Nitruro de aluminio (NAI) Elevada dureza Elevada resistencia a altas T 10.7. Vidrios: Son productos inorgánicos de fusión, los cuales al enfriarse solidifican sin cristalizar. Son amorfos, rígidos a T ambiente, tienen resistencia mecánica suficiente, y excelente a corrosión. 10.7.1 Composición y estructura: Los vidrios más abundantes están basados en sílice (SiO2), y se les añaden óxidos modificadores (de K, Na, Ca y Mg rebajan la viscosidad reduciendo el entrecruzamiento de la red y disminuyendo su Tg) e intermedios (para obtener propiedades especiales como PbO, Al2O3). Ciencia de los Materiales. Página 5  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA 10.7.2. Viscosidad de los vidrios: Su variación con la temperatura determina su procesado: Punto de deformación: por debajo de esa temperatura la fractura ocurre sin deformación plástica previa. Punto de recocido: existe suficiente difusión como para que se relajen las tensiones residuales. Punto de reblandecimiento: máxima temperatura a la que se puede manipular el vidrio sin causar alteraciones dimensionales significativas. Punto de trabajo: temperatura a la que es fácilmente deformable. Su conformado se realiza entre el punto de reblandecimiento (Tg) y el de trabajo. 10.7.3. Tipos de vidrios: De sodio y calcio: Na2O-CaO-6SiO2, es el tradicional. De plomo y alcalino: Na2O-PbO-SiO2, PbO en 15% del peso. Absorbe rayos X y gamma. Índice de refracción alto y por ello tiene buenas propiedades ópticas. De borosilicato: Na2O-B2O3-SiO2, tiene Na2O en menor proporción. Tienen 3 bajo y por ello resistencia al choque térmico (Pyrex). De aluminio silicato: SiO2(55%) + Al2O3(20%) + B2O3 + MgO + CaO. Tienen alta resistencia térmica (Tg alta y 3 bajo). Usado en tubos de combustión. De sílice pura. Caro y de difícil procesado. Aplicación en vehículos espaciales. Ciencia de los Materiales. Página 6  ACADEMIA CASTIÑEIRA SANTIAGO RUSIÑOL, 4 Carrera: AEROESPACIAL TELEFS. 91 533 82 01 - 91 534 16 64 Asignatura: CIENCIA DE LOS MATERIALES 28040 MADRID Profesor: LUIS CAZORLA TEMA 11. IMPERFECCIONES EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA Se define cristal perfecto como un cristal infinito, con una estructura completamente simétrica y ordenada, con sus átomos en reposo (0K), y con los electrones distribuidos en sus estados energéticos más bajos. Tipos de defectos que podemos encontrar son: vibraciones en los átomos, imperfecciones en los niveles energéticos de los electrones, y defectos estructurales. Estos últimos pueden ser puntuales, lineales (dislocaciones), superficiales o volumétricos (tridimensionales). En las propiedades finales del material influyen el tipo de enlace, la red cristalina y los defectos. 11.1. Defectos puntuales. 11.1.1. Origen de los defectos puntuales. La presencia de defectos puntuales no siempre implica un incremento de la energía libre del material. Algunas de las causas que pueden dar lugar a defectos son: a) Estabilidad termodinámica: el material podrá crear defectos puntuales de manera espontánea para conservar el equilibrio termodinámico, ya que la presencia de defectos (vacantes, intersticiales…) hace que la energía libre disminuya. b) Estabilidad eléctrica: si en un cerámico se extrae un ión se da un desequilibrio, y para compensarlo y que se mantenga la neutralidad, se genera un defecto. c) Irradiación de material con partículas de alta energ