MATERIALES DE INGENIERIA Y SUS PROPIEDADES

MATERIALES DE INGENIERIA Y SUS PROPIEDADES 

1. Introducción 

Hay, como se dice, más de 50.000 materiales disponibles para el ingeniero. A la hora de diseñar una estructura o dispositivo, ¿cómo es el ingeniero para elegir de este amplio menú el material que mejor se adapte a la finalidad? Los errores pueden causar desastres. Durante la II Guerra Mundial, una clase de buque mercante soldados sufrieron fuertes pérdidas, no por ataques del enemigo, sino por romper por la mitad en el mar: la tenacidad de fractura del acero - y, en particular, de las soldaduras es demasiado baja. Más recientemente, tres aviones El Cometa se ha perdido antes de que se dieron cuenta de que el diseño de una resistencia a la fatiga que, dado el diseño de los marcos de las ventanas, era mayor que la que posee el material. Usted estará familiarizado con los aparatos no están bien diseñadas de plástico: su excesiva "dar" se debe a que el diseñador no permitir el módulo bajo de los polímeros. Estas propiedades del volumen se enumeran en el cuadro 1.1, junto con otras clases comunes de propiedad que el diseñador debe tener en cuenta a la hora de elegir un material. Muchas de estas propiedades son desconocidas para usted, nos presentará a través de ejemplos en este capítulo. Forman la base de este primer curso sobre los materiales.
En este primer curso, nos encontraremos con las clases de materiales se muestran en la Tabla 1.2 y Figura 1.1. Más componentes de ingeniería están hechas de metales y aleaciones que de cualquier otra clase de sólidos. Pero cada vez más, los polímeros están reemplazando los metales ya que ofrecen una combinación de propiedades que son más atractivos para el diseñador. Y si ha estado leyendo el periódico, usted sabe que la nueva cerámica, en la actualidad, se desarrolló en todo el mundo, son una nueva clase de material técnico que permita más eficientes motores de calor, más las cuchillas y cojinetes con menor fricción. El ingeniero puede combinar las mejores propiedades de estos materiales para hacer composiciones (el más conocido es fibra de vidrio) que ofrecen atractivos paquetes de propiedades. Y, por último, no se debe ignorar materiales naturales como la madera y el cuero que tienen propiedades que, aun con las innovaciones de hoy los científicos de materiales - son difíciles de superar.
En este capítulo nos ilustran, a través de una variedad de ejemplos, cómo el diseñador selecciona materiales para que se le proporcione o con las propiedades necesarias.

2. Destornillador de plástico

Un típico destornillador tiene un eje y una hoja de acero con alto contenido de carbono, un metal. Acero es elegido porque su módulo es alta. El módulo mide la resistencia del material a deformación elástica o agacharse. Si hace el eje de un polímero como polietileno en su lugar, gire demasiado. De alto módulo es uno de los criterios para la selección de un material para esta aplicación. Pero no es el único. El eje debe tener una alta resistencia a la fluencia. Si no lo hace, se va a doblar o torcer si usted le da vuelta duro (malos destornilladores). Y el módulo de alta densidad debe tener una alta dureza, pues de lo contrario será dañada por la cabeza del tornillo. Por último, el material del eje y la hoja no sólo debe hacer todas estas cosas, también debe resistir fractura - cristal, por ejemplo, tiene una alta elasticidad, elasticidad, resistencia y dureza, pero no sería una buena opción para esta aplicación, ya que es tan frágil. Más precisamente, que tiene una muy baja tenacidad de fractura. El del acero es alta, lo que significa que es un poco antes de que se rompe. 
El mango del destornillador es hecha de un polímero o plástico, polimetilmetacrilato (PMMA), en este caso, también conocida como PMMA, plexiglass o plexiglás. La empuñadura tiene una sección mayor que el eje, por lo que su gira, y, por consiguiente, su elasticidad, es menos importante. Usted no puede hacer satisfactoriamente de una goma suave (un polímero) porque su módulo es demasiado bajo, aunque una piel fina de caucho puede ser útil porque su coeficiente de fricción es alto, por lo que es fácil de agarrar. Tradicionalmente, por supuesto, las manijas de la herramienta se hicieron de un polímero natural - madera - y, si se mide por el volumen de consumo por año, la madera se sigue de lejos el más importante polímero a disposición del ingeniero. La Madera ha sido sustituida por el PMMA porque el PMMA se torna suave cuando está caliente y puede ser moldeado con rapidez y facilidad a su forma final. Su facilidad de fabricación para esta aplicación es alta. También es elegida por motivos estéticos: su apariencia y textura, tacto o están en lo correcto; y su densidad es baja, de modo que el destornillador no es pesada e innecesaria. Por último, la PMMA es barato, y esto permite que el producto que se hizo a un precio razonable.

3. Aero-motores turboventiladores

Ahora un segundo ejemplo, que nos baja de avanzada tecnología para el diseño de los materiales involucrados en los motores de aviación de turboventilador que el poder de grandes aviones. El aire es impulsado anteriormente (y en) el motor por el fuselaje, con empuje aerodinámico. El aire se comprime aún más por las aletas del compresor, y luego se mezcla con el combustible y quemados en la cámara de combustión. La expansión de los gases las paletas de la turbina, que proporcionan energía a los turboventilador y las aletas del compresor, y por último pase fuera de la parte trasera del motor, que se suman a los de empuje.
El turboventilador las hojas están hechas de una aleación de titanio, un metal. Esto tiene una lo suficientemente buena elasticidad, elasticidad, resistencia y tenacidad de fractura. Pero el metal también deben resistir cansancio (debido a las fluctuaciones de carga rápidamente), desgaste de la superficie (de todo, desde las gotas de agua a grandes aves) y a la corrosión (importante cuando despegue en el mar debido a que la sal penetre en el motor). Por último, la densidad es muy importante por razones obvias: cuanto más pesado sea el motor, el menos la carga del avión puede transportar. En un esfuerzo por reducir el peso aún más, palas de materiales compuestos de fibra de carbono de polímeros reforzados (CFRP) con densidad inferior a la mitad de la de titanio, han sido juzgados. Pero CFRP, de por sí no es muy difícil para las cuchillas turboventiladores - "bird strike" destruye una hoja CFRP. El problema se puede superar por vaina, el CFRP dando un borde metálico.
En cuanto a las paletas de la turbina (aquellos que se encuentran en la parte más caliente del motor) aún más material deben cumplirse los requisitos. La economía de combustible debe ser quemado a la temperatura más alta posible. La primera fila de láminas de motor (el
"HP1" láminas) corre en las temperaturas metálicas de aproximadamente 950 C, requiriendo la resistencia arrastrarse y a la oxidación. Las aleaciones basadas en níquel de la complicada química y estructura son utilizadas para esta aplicación sumamente estricta; son un pináculo de la tecnología de materiales avanzados. Un ejemplo que trae un tanto diferentes requerimientos es la bujía de un motor de combustión interna. Los electrodos de la bujía deben resistir fatiga térmica (de rápida fluctuación de las temperaturas), el desgaste (causado por la erosión de chispa) y la oxidación y la corrosión de los gases calientes del cilindro superior que contengan desagradables compuestos de azufre y plomo (procedente de aditivos antidetonantes). Aleaciones de tungsteno se utilizan para los electrodos porque tienen las propiedades deseadas. El aislamiento alrededor del electrodo central es un ejemplo de un material no metálico, en este caso, alúmina, una cerámica. Esta es elegido debido a sus características aisladores eléctricas y porque también tiene resistencia a la fatiga térmica buena y resistencia a la corrosión y oxidación (ya es un óxido). El uso de materiales no metálicos ha crecido más rápidamente en la industria de consumo

4. Crucero de Vela

Nuestro siguiente ejemplo, un crucero de vela, muestra cuán extensamente polímeros y compuestos artificiales y fibras han sustituido los materiales '' tradicionales '' de acero, madera y algodón. Un crucero típico tiene un casco de GFRP, fabricado como una sola moldura; GFRP tiene buen aspecto y, a diferencia de acero o madera, no se oxida o es comido lejos por Terido gusano. El mástil está hecho de aleación de aluminio, que es más ligera para una fuerza dada que la madera; Mástiles de avanzada ahora se hacen mediante el refuerzo de la aleación con fibras de carbono o de boro (compuestos artificiales). Las velas, antes de la tela de algodón natural, ahora se hacen de nylon polímeros, tergal o Kevlar, y, en el aparejo corriente, cuerdas de algodón han sido sustituidos por polímeros también. Por último, polímeros como el PVC son ampliamente utilizados para cosas como cubiertas de barcos, defensas, anoraks y bolsos de la flotabilidad. Tres materiales compuestos artificiales han aparecido en los artículos que hemos considerado hasta ahora: GFRP; el CFRP mucho más caro; y las aleaciones de fibra de boro reforzada aún más caras (BFRP). La gama de compuestos es una grande y creciente durante el siguiente compuesto de década, cada vez más, competirán con acero y aluminio en muchos usos tradicionales de estos metales.

Hasta ahora hemos introducido las propiedades mecánicas y físicas de materiales de ingeniería, pero aún tenemos que discutir una cuenta que es a menudo reemplazar la importancia: de precio y disponibilidad.  Materiales para uso estructural gran escala: madera, cemento y hormigón, y acero estructural, que le puede costar entre £50 y £500 (US$90 y US$ 900) por tonelada. Hay muchos materiales que tienen todas las demás propiedades necesarias de un material estructural, el níquel o el titanio, por ejemplo, pero su uso en esta aplicación es eliminada por su precio. El valor que se agrega durante el trabajo de ingeniería de luz y medio es más grande, y esto generalmente significa que la restricción económica en la elección de los materiales es menos severa, una proporción mucho mayor del costo de la estructura es la asociada con el trabajo o con la producción y fabricación. Aceros inoxidables, la mayoría de aleaciones de aluminio y polímeros más cuestan entre Reino Unido£ 500 y UK£ 5000 (US$ 900 y US$ 9000) por tonelada. Es en este sector del mercado que la competencia entre materiales es más intensa, y existe el mayor alcance de diseño imaginativo. Aquí los polímeros y compuestos compiten directamente con los metales, y la nueva cerámica estructural (carburo de silicio, nitruro de silicio) puede competir con tanto en determinadas aplicaciones. 
A continuación están los materiales desarrollados para aplicaciones de alto rendimiento, algunas de las cuales ya hemos mencionado: níquel aleaciones (para las láminas de turbina), tungsteno (para los electrodos de la bujía) y materiales compuestos especiales como CFK. El precio de estas gamas de materiales entre el Reino Unido£ 5000 y UK£ 50.000 (US$ 9000 y US$ 90.000) por tonelada. Este es el régimen de la alta tecnología de los materiales, participando activamente en la etapa de investigación, y en los que nuevos e importantes avances se siguen haciendo. Aquí, también, hay una intensa competencia por parte de nuevos materiales. 
Por último, están las llamadas los metales y piedras preciosas, ampliamente utilizados en la ingeniería de microcircuitos oro, platino de catalizadores, zafiro para rodamientos, herramientas de corte de diamante. Estos pueden variar en precio de £50.000 (US$90.000) a más 100 millones de libras (180 millones de dólares) por tonelada.

5. Materiales Para La Construcción De Puentes

Como un ejemplo de cómo afectan a precios y disponibilidad la elección del material para un trabajo en particular, considerar cómo los materiales utilizados para construir puentes en Cambridge han cambiado con el paso de los siglos. Como nuestra fotografía de Queens' Puente (figura 5) sugiere, hasta 150 años o así que hace la madera fue utilizada comúnmente para la construcción del puente. Era barato, y madera de alta calidad aún disponible en las secciones grandes de bosques naturales. Piedra, también, que el cuadro de muestra del puente de Clare (Figura 6), era ampliamente utilizado. En el siglo XVIII la disponibilidad inmediata de hierro fundido, con sus costes de ensamblaje relativamente bajo, llevó a numerosos puentes de hierro fundidos del tipo ejemplificado por el puente de la Magdalena (Figura 7). Desarrollos metalúrgicos más adelante del siglo XIX permitieron grandes estructuras de acero que se construirá (la Fort St. George Footbridge, Figura 8). Finalmente, el advenimiento de barato hormigón llevó a estructuras agraciadas y duraderas como el del puente de Garret Hostel Lane (Figura 9). Esta evolución ilustra claramente cómo la disponibilidad influye en la elección de los materiales. 
Hoy en día, madera, acero y hormigón se utilizan indistintamente en las estructuras, que refleja las diferencias de precios relativamente pequeños entre ellos. La elección de cuál de los tres materiales utilizar es dictada principalmente por el tipo de estructura que el arquitecto desea construir: grueso y sólido (piedra), estructuralmente eficiente (acero), esbelta y agraciada (pretensado de hormigón).
Diseño de ingeniería, entonces, implica muchas consideraciones (Figura 10). La elección de un material debe cumplir con ciertos criterios de volumen y propiedades de superficie (por ejemplo, su resistencia y la resistencia a la corrosión). Pero también debe ser fácil de fabricar; debe atraer a los consumidores potenciales; y debe competir económicamente con otros materiales alternativos. En el siguiente capítulo consideramos los aspectos económicos de esta elección, volviendo en capítulos más adelante para una discusión de las otras propiedades.

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