ENSAYOS ESPECIALES M-5.38.2

2014 Rev. 1

SELECCION DE MATERIALES

EN DISEÑO MECANICO INTRODUCCION (002)

INGENIERIA DE MATERIALES La Ingeniería de materiales constituye la competencia de la aplicación de los conocimientos básico de materiales (ciencia de los materiales), conocimientos estructurales para la definición del estado de solicitación mecánico (resistencia de materiales), propiedades y procesos de la fabricación (tecnología de materiales) y el comportamiento mecánico de los materiales (respuesta) para dar respuesta a una necesidad (de diseño, de fabricación o de servicio)

Por comodidad, la mayoría de los materiales utilizados en ingeniería se dividen en tres grupos principales: materiales metálicos, poliméricos y cerámicos. Además de estos tres grupos de materiales, se suele categorizar dos tipos más, los materiales compuestos y los materiales electrónicos, dada su gran importancia en la ingeniería.

Materiales metálicos Estos materiales son sustancias inorgánicas compuestas por uno o más elementos metálicos y pueden contener algunos elementos no metálicos. Son ejemplos de elementos metálicos el hierro, el cobre, el aluminio, el níquel y el titanio. Los materiales metálicos pueden contener elementos no metálicos como carbono, nitrógeno y oxígeno. Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada. En general, los metales son buenos conductores térmicos y eléctricos. Muchos metales son relativamente resistentes y dúctiles a la temperatura ambiente y presentan alta resistencia, incluso a altas temperaturas. Los metales y sus aleaciones suelen dividirse en dos clases: metales ferrosos que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero y el hierro fundido, y metales no ferrosos que carecen de hierro o contienen sólo cantidades relativamente pequeñas de éste. Son ejemplos de metales no ferrosos el aluminio, el cobre, el zinc, el titanio y el níquel. La distinción entre aleaciones ferrosas y no ferrosas se hace debido al empleo y producción considerablemente mayores de aceros y hierros fundidos en comparación con otras aleaciones. Ya sea en aleación o puros, los metales se emplean en numerosas industrias; entre otras, la aeronáutica, la biomédica, de los semiconductores, electrónica, energética, de estructuras civiles y del transporte. Los científicos e ingenieros especializados en materiales buscan constantemente mejorar las propiedades de las aleaciones actuales y diseñar y producir nuevas aleaciones con mejores propiedades de fuerza, resistencia a altas temperaturas, deformación y fatiga. Las aleaciones actuales pueden perfeccionarse con mejores técnicas químicas, controlando la composición y las técnicas de procesado. Por ejemplo, hacia 1961, estaban disponibles nuevas y mejores super-aleaciones basadas en níquel y en hierro-níquel y cobalto, para emplearse en álabes de turbinas de alta presión en turbinas de gas para aeronaves. Se empleó el término superaleación debido a su mejor rendimiento a temperaturas elevadas de aproximadamente 540°C (1 000°F) y a sus altos niveles de esfuerzo. Los metales usados dentro del motor deben ser capaces de resistir las altas temperaturas y presiones generadas durante su funcionamiento. Hacia 1980, se mejoraron las técnicas de fundición para producir un grano de columna solidificado direccionalmente y aleaciones de fundición monocristalinas con base en níquel. Hacia la década de 1990, las aleaciones de fundición monocristalinas, solidificadas direccionalmente, eran la norma en muchas aplicaciones para fabricar turbinas de gas para avión. El mejor rendimiento de las superaleaciones a altas

temperaturas de funcionamiento, mejoró considerablemente la eficacia de los motores de avión. Muchas aleaciones metálicas como las de titanio, acero inoxidable y las basadas en cobalto se emplearon también en aplicaciones biomédicas, incluso en implantes ortopédicos, válvulas cardíacas, dispositivos de fijación y tornillos. Estos materiales ofrecen gran resistencia, dureza y biocompatibilidad. La biocompatibilidad es importante puesto que el ambiente dentro del cuerpo humano es en extremo corrosivo y, por lo tanto, la impenetrabilidad de los materiales empleados para tales aplicaciones es fundamental. Además de mejorar la química y el control de la composición, los investigadores e ingenieros se afanan también en mejorar nuevas técnicas de elaboración de estos materiales. Los métodos de elaboración como el prensado isoestático en caliente y el forjado isotérmico han llevado a la mejor resistencia a la fatiga de muchas aleaciones. Asimismo, seguirán siendo importantes las técnicas de pulvimetalurgia ya que pueden obtenerse mejores propiedades para algunas aleaciones con un menor costo del producto terminado. Materiales poliméricos La mayoría de los materiales poliméricos constan de largas cadenas o redes moleculares que frecuentemente se basan en compuestos orgánicos (precursores que contienen carbono). Desde un punto de vista estructural, la mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. La resistencia y ductibilidad de los materiales poliméricos varía considerablemente. Dada la naturaleza de su estructura interna, la mayoría de los materiales poliméricos son malos conductores de electricidad. Algunos de estos materiales son buenos aislantes y se emplean como aislantes eléctricos. Una de las aplicaciones más recientes de materiales poliméricos ha sido en la fabricación de discos de video digitales (DVD). En general, los materiales poliméricos tienen bajas densidades y temperaturas de ablandamiento o de descomposición relativamente bajas. De acuerdo con algunas predicciones, se espera que los plásticos industriales, como el nailon, sigan compitiendo con los metales. 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 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. La mayoría de los materiales cerámicos tienen una gran dureza y resistencia a las altas temperaturas pero tienden a ser frágiles (con poca o nula deformación antes de la fractura). Destacan entre las ventajas de los materiales cerámicos para aplicaciones industriales su peso ligero, gran resistencia y dureza, buena resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes. 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. La búsqueda de nuevos plásticos y aleaciones continúa dado su menor costo y buenas propiedades para muchas aplicaciones. 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 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 dos principales desventajas de este tipo de materiales son 1) la dificultad para elaborar con ellos productos terminados, y por tanto su alto costo, y 2) son frágiles y, comparados con los metales, tienen baja tenacidad. 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 Un material compuesto puede definirse como dos o más materiales (fases o constituyentes) integrados para formar un material nuevo. Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de ellos. La mayoría de los materiales compuestos están formados por un material específico de relleno que a su vez sirve de refuerzo, y una resina aglomerante con objeto de lograr las características y propiedades deseadas. Los componentes no suelen disolverse entre sí y pueden identificarse físicamente gracias a la interfaz que existe entre ellos. Los materiales compuestos pueden ser de muchos tipos. Los que predominan son los fibrosos (compuestos o fibras en una matriz) y los particulados (compuestos o partículas en una matriz). Existen muchas combinaciones diferentes de materiales de refuerzo y matrices que puede emplearse para producir materiales compuestos. Por ejemplo, el material de la matriz puede ser un metal, como el aluminio; una cerámica, como la alúmina; o un polímero, como la resina epóxica. Dependiendo del tipo de matriz empleado, el material compuesto puede clasificarse como compuesto de matriz metálica (MMC, por sus siglas en inglés), compuesto de matriz cerámica (CMC, por sus siglas en inglés), o compuesto de matriz polimérica (PMC, por sus siglas en inglés). También pueden seleccionarse los materiales fibrosos o particulados entre cualquiera de las tres clases principales de materiales con ejemplos como carbón, vidrio, aramida, carburo de silicio y otros. Las combinaciones de materiales empleados en el diseño de compuestos dependen principalmente del tipo de aplicación y ambiente en el que el material habrá de emplearse. Los materiales compuestos han sustituido a numerosos componentes mecánicos, en particular en las industrias aeronáutica, electrónica de la aviación, automotriz, de estructuras civiles y de equipo deportivo. Algunos materiales compuestos avanzados tienen una rigidez y resistencia similar a la de algunos metales, pero con una densidad considerablemente menor y, por lo tanto, menor peso general de los componentes. Estas características vuelven muy atractivos a los materiales compuestos avanzados cuando el peso de los componentes resulta crucial. Por regla general, de manera similar a los materiales cerámicos, las principales desventajas de la mayoría de los materiales compuestos son su fragilidad y baja tenacidad. Algunos de los inconvenientes pueden superarse, en determinadas situaciones, mediante la selección adecuada del material de la matriz.

Materiales electrónicos Los materiales electrónicos no son importantes por su volumen de producción, pero sí lo son extremadamente por su avanzada tecnología. El material electrónico más importante es el silicio puro, al que se modifica de distintos modos para cambiar sus características eléctricas.

muchísimos circuitos electrónicos complejos se pueden miniaturizar en un chip de silicio de aproximadamente 3/4 de pulg2 (1.90 cm2). Los dispositivos microelectrónicos han hecho posibles nuevos productos, como los satélites de comunicaciones, las computadoras avanzadas, las calculadoras de bolsillo, los relojes digitales y los robots (figura 1 . 13). El empleo del silicio y otros materiales semiconductores en la electrónica de estado sólido y en la microelectrónica, ha demostrado un enorme crecimiento desde 1970, y se espera que esta tendencia continúe. Han sido espectaculares los efectos de las computadoras y otros tipos de equipo industrial que emplean circuitos integrados fabricados con chips de silicio. 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.

Avances en la Ciencia y Tecnología de los Materiales En las últimas décadas han surgido varias iniciativas interesantes en la ciencia de los materiales que podrían revolucionar el futuro de este campo. Los materiales y dispositivos inteligentes a escala de tamaño micrométrico, así como los nanomateriales, son dos clases que afectarán profundamente a todas las industrias principales. Materiales inteligentes Algunos materiales han estado presentes durante años pero hoy día se están encontrando más aplicaciones para ellos. Tienen la capacidad de detectar estímulos ambientales externos (temperatura, esfuerzo, luz, humedad y campos eléctricos y magnéticos) y como respuesta a éstos modifican sus propiedades (mecánicas, eléctricas o su aspecto), su estructura o sus funciones. Estos materiales se denominan genéricamente materiales inteligentes. Los materiales inteligentes o los sistemas que los emplean están formados por detectores y accionadores. El componente detector descubre un cambio en el ambiente y el accionador

realiza una función o emite una respuesta específica. Por ejemplo, algunos materiales inteligentes cambian de color o lo producen al exponerse a cambios de temperatura, intensidad de la luz o una corriente eléctrica. Algunos de los materiales inteligentes más importantes, desde una perspectiva tecnológica, que pueden hacer las veces de accionadores, son las aleaciones con memoria de forma y las cerámicas piezoeléctricas. Ya coladas, las aleaciones con memoria de forma regresan a su forma original después de un aumento de temperatura superior a una temperatura de transformación crítica. El regreso a la forma original se debe a un cambio en la estructura cristalina por encima de la temperatura de transformación. Una aplicación biomédica de las aleaciones con memoria de forma se da en la endoprótesis vascular para sostener paredes arteriales debilitadas o para expandir arterias obstruidas. La endoprótesis deformada se coloca con una sonda dentro de la arteria en la posición adecuada y luego se expande a su forma y tamaño originales después de que alcanza la temperatura corporal. A modo de comparación, el método convencional de expandir o dar soporte a una arteria es mediante el empleo de un tubo de acero inoxidable que se expande con un globo. Son ejemplos de aleaciones con memoria de forma las de níquel y titanio, y las de cobre-zinc-aluminio. Los accionadores pueden ser también materiales piezoeléctricos. Los materiales producen un campo eléctrico cuando se les expone a una fuerza mecánica. A la inversa, un cambio en un campo eléctrico externo producirá en el mismo material una respuesta mecánica. Estos materiales pueden emplearse para detectar y reducir vibraciones indeseables de un componente por medio de la respuesta de su accionador. Cuando se detecta una vibración, se aplica una corriente para producir una respuesta mecánica que compensa el efecto de aquélla. Considérese ahora el diseño y creación de sistemas a escala micrométrica que emplean materiales y dispositivos inteligentes con la finalidad de detectar, comunicar y accionar: así es el mundo de los sistemas microelectromecánicos (MEM). En un principio, los MEM eran dispositivos que integraban tecnología, materiales electrónicos y materiales inteligentes en un chip semiconductor para producir lo que se conocía comúnmente por micromáquinas. Para el dispositivo original de los MEM se fabricaban los elementos mecánicos microscópicos sobre chips de silicio mediante la tecnología de circuitos integrados. Los MEM se empleaban como detectores o accionadores. Sin embargo, hoy el término “MEM” se ha ampliado para incluir cualquier dispositivo miniaturizado. Las aplicaciones de los MEM son numerosas, e incluyen microbombas, sistemas de bloqueo, motores, espejos y detectores. Por ejemplo, los MEM se emplean en las bolsas de aire para automóviles, con la finalidad de detectar tanto la desaceleración como el tamaño de la persona que está en el automóvil y para abrir la bolsa cuando se alcanza la velocidad apropiada. Nanomateriales Suelen definirse como aquellos que tienen una escala de longitudes característica (esto es, diámetro de las partículas, tamaño de los granos, el espesor de las capas, etc.) menor a 100nm. Los nanomateriales pueden ser metálicos, poliméricos, cerámicos, electrónicos o compuestos. A este respecto, los agregados de polvo cerámico de tamaño menor a 100 nm, los metales a granel con tamaños de grano menores de 100 nm, las películas poliméricas delgadas de menos de 100 nm de espesor, y los alambres electrónicos de diámetro menor de 100 nm se consideran nanomateriales o materiales nanoestructurados. En la nanoescala, las propiedades del material no tienen escala molecular o atómica, ni las del material a granel. Aunque en la década anterior se realizaron notables esfuerzos en investigación y desarrollo acerca de esta cuestión, las primeras investigaciones sobre nanomateriales se remontan a la década de 1960 cuando los hornos de llama químicos se emplearon para producir partículas de tamaño menor a una micra. Las primeras aplicaciones de los nanomateriales fueron en forma de catalizadores químicos y pigmentos. Los técnicos metalúrgicos han estado conscientes siempre de que al

refinar la estructura de los granos de un metal hasta alcanzar niveles ultrafinos (escala submicrónica), su resistencia y dureza aumentan considerablemente en comparación con el metal a granel de grano grueso (escala micrónica). Por ejemplo, el cobre puro nanoestructurado tiene un límite de elasticidad seis veces mayor que el del cobre de grano grueso. La extraordinaria atención que se ha prestado recientemente a estos materiales puede deberse a la creación de (1) nuevos instrumentos que permiten la observación y caracterización de estos materiales y (2) a los nuevos métodos de procesado y síntesis de los materiales nanoestructurados que permiten a los investigadores producir estos materiales con mayor facilidad y a una mayor tasa de rendimiento. Uno de los principales obstáculos de los nanomateriales para que alcancen sus posibilidades es la capacidad para producir estos materiales de manera eficiente y barata. Considérese la fabricación de implantes ortopédicos y dentales a partir de nanomateriales con mejores características de biocompatibilidad, mayor resistencia y mejores características con respecto al desgaste de los metales. Uno de estos materiales es la circonia nanocristalina (óxido de circonio), un material cerámico duro y resistente al desgaste que es químicamente estable y biocompatible. Este material puede elaborarse en forma porosa y, al emplearse como material de implantes, permite que el hueso crezca en sus poros, lo cual redunda en una fijación más estable. Las aleaciones metálicas que se emplean hoy día en esta aplicación no permiten una interacción de este tipo y suelen aflojarse con el paso del tiempo, lo que hace necesaria una nueva cirugía. Los nanomateriales también pueden emplearse para producir pinturas o materiales de revestimiento que son considerablemente más resistentes a la abrasión y al daño del medio ambiente. Además, podrán crearse en un nanoalambre dispositivos electrónicos como diodos transistores e incluso de láser

SELECCION DE MATERIALES La selección del material para el diseño de un componente constituye el desarrollo del proceso de dar significado tecnológico a una idea, o una necesidad. Este significado tecnológico supone la traslación de características de solicitación impuestas al sistema a propiedades deseadas en los materiales que constituyen el mismo. En el proceso de selección se impondrá “restricciones” (características deseadas) al universo completo de posibles materiales. Este proceso presupone el conocimiento básico de los materiales, conocimientos estructurales, propiedades de los procesos de los materiales y el comportamiento de los mismos dando por resultado el conocimiento aplicado de materiales o ingeniería de materiales. Este análisis supone la interacción entre Funciones, Formas y procesos (conjunto de necesidades); y los materiales y costos (disponibilidad tecnológica y económica) Todo proceso de análisis requiere un modelo de razonamiento que permita ubicar la información, catalogarla y relacionarla con los requerimientos impuestos (inputs) al posible material, esto establecerá funciones (desarrollo técnico o tecnología) que darán como resultado respuestas del material (outputs)

Para facilitar el análisis es conveniente en la mayoría de los casos plantear el sistema como la sumatoria de subsistemas o componentes que deberán cumplimentar con requerimientos específicos, permitiendo la simplificación de la matriz de estudio.

Los componentes mecánicos tienen masa, transfieren cargas, conducen calor y electricidad, estén expuestos a ambientes corrosivos, están compuestos por más de un material, tiene forma y deben ser manufacturados. Todos estos factores deberán integrarse en el proceso de la selección del material. Existiendo restricciones que se definirán como primarias (no negociables) y secundarias (optimizables) que darán origen a un proceso interativo e incremental que permite la maximización de la performance del componente (etapa conceptual). Diseño, fabricación, servicio Si bien todo análisis de la selección del material esta orientado al servicio del mismo, dependerá de la etapa de análisis diversas consideraciones para el mismo. La necesidad del diseño estará orientada a la selección dentro del universo de 40000 a 80000 materiales disponible según las necesidades del servicio al que está sometido el material. Estas necesidades además de los requerimientos funcionales pueden incorporarse necesidades de costos, ergonométricas, estéticas, disponibilidad, etc. La necesidad de fabricación impondrá exigencias a los materiales referentes a los procesos de fabricación necesarios para obtener los componentes. También el proceso de fabricación puede estar impuesto por el diseño en función de la obtención de una determinada estructura metalografía (Ej: en el caso de los elementos de izaje, como los ganchos, los mismos deben ser forjados para obtener una continuidad de las "fibras" de su microestructura en respuesta al estado de solicitación y los requerimientos de seguridad impuestos) La necesidad de la aplicación de conocimientos en servicio supondrá la capacidad de comprender la respuesta del material durante distintas periodos de su vida útil, interpretando y prediciendo su comportamiento confiable durante el tiempo de servicio, o procesos de daño involucrados en el mismo.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES En función de las necesidades se establecen requerimientos que tendrán una respuesta o correlato en una propiedad tecnológica que deberemos asociar y cuantificar con el material. La naturaleza de estas propiedades es sumamente variada y responde a la naturaleza de la necesidad, podemos nombrar: Propiedades mecánicas como la elasticidad, plasticidad, maleabilidad, ductilidad, dureza, tenacidad y fragilidad. Propiedades Térmicas: como conductividad térmica, fusibilidad, soldabilidad y dilatación. Propiedades Químicas: como estabilidad química y corrosividad. Propiedades Ecológicas: donde estudiamos conceptos como reciclables, reutilizables, tóxicos obiodegradables. El diseñador no busca un material, sino un perfil de propiedades (una combinación específica), por eso “piensa al material” como un conjunto de atributos: sus propiedades. Requerimiento Propiedad Símbolo Unidades General costo relativo CR (-) densidad ρ (Mg/m3) Mecánico módulo elástico E, G, K (GPa) tensión (fluencia, máxima, rotura) σf (MPa) tenacidad Gc (kJ/m2) tenacidad a la fractura K1c (MPa m1/2) capacidad de amortiguamiento η (-) tasa de fatiga f (-) Térmico conductividad térmica λ (W/m K) difusividad térmica α (m2/s) calor específico Cp (J/kg K) punto de fusión Tm (K) coeficiente de expansión térmica a (K-1) resistencia al shock térmico ΔT (K) resistencia al creep - (-) Desgaste constante de desgaste de Archad KA (MPa-1) Corrosión tasa de corrosión - (-) oxidación (constante de tasa parabólica) KP (m2/s) Ejemplo: El destornillador El cuerpo y la cuchilla del mismo tendrá como requerimientos:

evitar pandeo (cuya propiedad asociada al material será el módulo elástico)

evitar la deformación permanente (cuya propiedad asociada al material será la tensión de fluencia)

evitar indentado (cuya propiedad asociada al material será la dureza)

evitar rotura con poco esfuerzo (cuya propiedad asociada al material será la tenacidad a la fractura)

Además en función de su aplicación: geometría, estabilidad química y térmica, costo. El mango:

comodidad en la manipulación (textura y ergonométrica)

facilidad de fabricación

estética

Descripción Propiedades

Densidad mide pesado-liviano; depende del peso atómico (+), tamaño atómico y del empaquetamiento. Los metales son densos porque sus átomos son pesados y están empaquetados en forma compacta, los polímeros son poco densos porque los átomos de C y H son livianos y están dispuestos en redes 1, 2, o 3D, los cerámicos tienen menor densidad que los metales porque contienen N, O y C (livianos, las espumas son muy poco densos porque tienen una gran fracción de material poroso. Útil cuando es importante minimizar peso Absoluta: La densidad o densidad absoluta es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de una sustancia. Su unidad en el Sistema Internacional es kilogramo por metro cúbico (kg/m³), aunque frecuentemente también es expresada en g/cm³. La densidad es una magnitud intensiva. Relativa: es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades) Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 1000 kg/m³, es decir, 1 kg/dm³. Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C. Media y puntual: Para un sistema homogéneo, la expresión masa/volumen puede aplicarse en cualquier región del sistema obteniendo siempre el mismo resultado. Sin embargo, un sistema heterogéneo no presenta la misma densidad en partes diferentes. En este caso, hay que medir la "densidad media", dividiendo la masa del objeto por su volumen o la "densidad puntual" que será distinta en cada punto, posición o porción "infinitesimal" del sistema, y que vendrá definida por: Sin embargo debe tenerse que las hipótesis de la mecánica de medios continuos sólo son válidas hasta escalas de , , ya que a escalas atómicas la densidad no está bien definida. Por ejemplo el núcleo atómico es cerca de superior a la de la materia ordinaria. Es decir, a escala atómica la densidad dista mucho de ser uniforme, ya que los átomos están esencialmente vacíos, con prácticamente toda la masa concentrada en el núcleo atómico. [Mg/m3]: masa por unidad de volumen, se mide pesando en un fluido de densidad conocida (aire, agua)

Módulo elástico [GPa, GN/m2]: pendiente de la parte elástica (lineal) de la curva de tensión deformación. mide rigidez y depende de la rigidez de los enlaces atómicos y de su densidad por unidad de área. El Límite inferior en sólidos es 1GPa. Los elasómeros y espumas tienen módulo menor. Las uniones covalentes son muy rígidas, mientras que las metálicas y las iónicas son menores, las de van der Waals son muy débiles; la densidad de enlaces en los metales (empaquetamiento compacto) es alta (y el enlace bastante rígido), los polímeros contienen enlaces muy rígidos y también muy débiles (uniones de Van der Waals que se estiran cuando se deforman los polímeros) pero poca densidad por unidad de área E: módulo de Young: (tracción o compresión)

G: módulo transversal (tensión de corte) K: módulo volumétrico (presión hidrostática) Para materiales isotrópicos:

Se miden dinámicamente (excitando las

frecuencias naturales). σf [GPa, GN/m2]: σy(0.2%) (metales),σy (+-1%, polímeros), σf (rotura, cerámicas), σy (+-0.2%, compuestos).

Módulo de rotura [MPa, MN/m2]: tensión máxima

en viga en flexión en la rotura (mayor que el σuts

en tracción).

Tensión de rotura σuts [MPa, MN/m2]: mayor

que σf (entre 1.1y 3 veces)

Dureza H [MPa]: se mide por la presión de un

indentador sobre el material (aprox 3 σf)

Tenacidad Gc [kJ/m2] y tenacidad a la fractura Kc [Pa*m1/2 , MN/m3/2]: miden la resistencia del material a la propagación de la fisura. Gc se mide cargando una probeta con una fisura de long 2c y registrando tensiones:

Y: factor geométrico. Valores bien definidos para materiales frágiles requiere correcciones por plasticidad para materiales dúctiles.

Coeficiente de pérdida η [adim.]: mide el grado al cual

el material disipa energía vibratoria (régimen elástico).

Conductividad térmica λ [W/mK]: tasa al la cual el calor es conducido en un sólido en estado estacionario, difusividad térmica a [m2/s] para flujo transitorio.

Temperatura de fusión Tm [K]: (sólidos cristalinos) caracteriza la transición de sólido a líquido; temperatura de transición vítrea Tg [K]: (no cristalinos) caracteriza la transición entre un sólido verdadero a un líquido muy viscoso.

Temperatura máxima de servicio Tmax [K]: temperatura máxima a la cual el material puede usarse sin oxidación, cambios químicos y creep excesivo.

Temperatura de ablandado Ts [K]:temperatura a la cual el material fluye adecuadamente para procesos de extruído y conformado.

Coeficiente de expansión térmica α [1/K]: deformación térmica por grado. Materiales isotrópicos: deformación volumétrica por grado, anisitrópicos requieren varios coeficientes

Resistencia al shock térmico T shock [K]: diferencia de temperatura máxima a la que puede ser calentado rápidamente el material sin sufrir daño.

Resistencia al creep La temperatura de creep = Tcreep [K]: 1/3Tm o 2/3Tg.

donde es la deformacion por creep, C cte dependiente del material y mecanismo de creep, b y m son ctes dependientes del mecanismo de creep, Q es la

energia de activacion, T es la temp absoluta, la tension aplicada, d el tamaño de grano, k es la cte de Boltzmann.

Desgaste, oxidación y corrosión son difíciles de cuantificar, los dos problemas principales son: son fenómenos de superficie (no de volumen) y involucran interacciones entre dos materiales, al menos (combinación adecuada de propiedades).

Requerimientos funcionales Para la mayoría de los componentes estructurales la maximización de la performance puede ponerse en forma funcional: p = f((requerim. funcionales),(parám. geométricos),(prop. materiales)) = f(F,G,M) = f1(F)*f2(G)*f3(M), si los grupos de parámetros son separables. Si la optimización de una de las f’s optimiza p, se designa índice de performance a esa función o a su inversa. Procedimiento para deducir el índice de performance • Identificar el atributo a ser optimizado (peso, costo energía, resistencia, rigidez…) • Desarrollar una ecuación para ese atributo en términos de los requerimientos funcionales, geometría y propiedades del material (función objetivo) • Identificar las variables libre (no especificadas) • Identificar las restricciones, en orden de importancia • Desarrollar ecuaciones para las restricciones (no pandeo, no fluencia, no fractura, costo por debajo de un límite) • Eliminar las variables libres entre estas ecuaciones y la función objetivo • Agrupar las variables en tres grupos: requerimientos funcionales (F), geometría (G) y propiedades materiales (M), de modo que Atributo = f(F,G,M) • Interpretar M como el índice de performance a ser optimizado

PROCEDIMIENTO PARA SELECCIONAR LOS MATERIALES • Restricciones primarias: en general toman la forma: P>Pcrit o P<Pcrit, donde P es una propiedad (ej: carga admisible, temperatura de servicio…). Son las líneas horizontales o verticales en la carta de selección. Permiten eliminar familias enteras de materiales. No hay que ser demasiado restrictivo en esta etapa. • Criterios de maximización de la performance: aquí son de utilidad las “líneas de guía de diseño” que son líneas de índice de performance constante. • Restricciones múltiples: generalmente están sobre determinados (hay más restricciones que variables libres). Una forma de resolver el problema es ordenar las restricciones en orden de importancia creciente, resolver para las “más importantes” ignorando el resto, identificar el índice de performance y determinar un primer subconjunto de materiales que lo maximiza. Utilizar las restantes restricciones para establecer (mismo procedimiento) un segundo conjunto de materiales (y así …) dentro del conjunto anterior. Si el subconjunto resultara vacío, repetir el procedimiento cambiando el orden de prioridad de las restricciones. Se trabaja con varias cartas. Cartas de Materiales

• Relaciones de performance