PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: PARÀMETROS DE DISEÑO EN INGENIERIA

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: PARÀMETROS DE DISEÑO EN INGENIERIA

Para la ciencia de los materiales, la naturaleza de estas propiedades es un fin en sí misma. Constituyen la base del conocimiento del estado sólido.  Para la ingeniería de los materiales, las propiedades asumen un nuevo papel. Son los parámetros de diseño, que constituyen la base de la selección de un determinado material para una aplicación dada.

Una visión global del comportamiento relativo de las diversas clases de materiales de ingeniería ha sido dada por Ashby, mediante mapas.

 Claramente, las distintas categorías de materiales estructurales se agrupan entre sí; por ejemplo, la combinación del módulo-densidad para las aleaciones metálicas da una zona distinta que, para los cerámicos y los vidrios, los polímeros, y los materiales compuestos.

El uso de los mapas de Ashby para la selección de los materiales sigue una filosofía de diseño en cuatro pasos:

1. Expresar los requisitos del diseño como una especificación del material.
2. Eliminar los materiales que no satisfacen las especificaciones.
3. Ordenar los materiales candidatos por su capacidad para resolver los objetivos (usando unos parámetros apropiados).
4. Buscar información adicional para los candidatos prometedores.

EJEMPLO:

Para seleccionar un acero de herramientas para una operación de mecanizado, la especificación de diseño pide un material con una resistencia a tracción ≥ 1500 MPa y un alargamiento ≥10 porciento. ¿Qué aleaciones concretas cumplirán esta especificación?

SOLUCION

Mirando las tablas 20.1 y 20.2 se ve que las siguientes combinaciones de aleaciones/tratamientos térmicos cumplirán estas especificaciones:

SELECCIÓN DE MATERIALES ESTRUCTURALES: ESTUDIO DE CASOS

El concepto de selección de materiales al esbozar los pasos que llevaban a la elección de una determinada aleación metálica para un cilindro a alta presión. Este proceso empieza con la elección de una de las categorías de los materiales estructurales (metal, cerámico, polímero o material compuesto). Una vez que se ha elegido la categoría de los materiales, es necesario elegir la aleación óptima para la aplicación dada. Con el amplio espectro de materiales comerciales y propiedades (parámetros). En general, se busca un equilibrio optimo entre resistencia y ductilidad para una aplicación determinada. La selección de materiales puede ser algo más que una consideración objetiva de los parámetros de diseño.

Materiales para mástiles de windsurf

Es un deporte que se ha hecho popular, en el cual el diseño del equipo es una combinación de ingeniería mecánica y de materiales. El mástil es un componente principal del diseño, y la selección de su forma y materiales sigue una consideración cuidadosa de los criterios del diseño. El mástil influye en la dinámica de la vela y debe flexar bajo la presión del viento. Se debe especificar su rigidez, conjuntamente con un límite en el diámetro externo para reducir su influencia al flujo de aire.

Sustitución de un mental por un material compuesto

Un ejemplo clave del empuje de la sustitución de metales por materiales compuestos de menor densidad es la industria de aeronaves comerciales.

Una de las primeras respuestas a la necesidad de la sustitución de materiales para el ahorro de combustible fue el uso de más de 1100kg de materiales compuestos.

Estructura del panal de abeja

El panal hecho por las abejas ha inspirado una configuración estructural muy empleada en el diseño moderno de la ingeniería.

Este diseño estructural, de uso corriente en aviación, se describe a veces como compuesto estructural, aunque cae fuera de la definición formal de materia compuesta.

La estructura sándwich se diseña para resolver un conjunto de criterios estructurales. La rentabilidad y la durabilidad en un ambiente dado de servicio son criterios adicionales.  Además de emplear los panales sándwich en aeronáutica y usos arquitectónicos, la estructura del panal se utiliza en los varios diseños de la ingeniería para la absorción de la energía, apantallamiento de radiofrecuencias, y para dirigir las corrientes de aire.

Materiales para la sustitución de una articulación de cadera

Algunos de los progresos más importantes en la aplicación de materiales avanzados han tenido lugar en el campo de la medicina. Unos de los de mayor éxito ha sido la prótesis artificial de cadera. La interface metal/polímeros proporciona una superficie de contacto de baja fricción, y los dos materiales (el metal y el polímero) tienen una buena resistencia a la degradación por los fluidos corporales altamente corrosivos.

Las aleaciones metálicas y los polímeros usados en la sustitución total de cadera son ejemplos de biomateriales, que se definen como los materiales de ingeniería creados para aplicaciones en biología y medicina. Los biomateriales contrastan con el hueso natural, que sería un ejemplo de un material biológico.

Durante aproximadamente tres décadas, los cerámicos y los vidrios han sido el centro de atención de importantes investigaciones sobre sus posibles aplicaciones como biomateriales.

Selección de materiales electrónicos y magnéticos: estudio de casos

La selección de un conductor viene determinada frecuentemente tanto por su confortabilidad y su corte, como por sus valores específicos de conductividad. La selección de un aislante puede estar dominada también por estos mismos factores. Un sustrato cerámico puede estar limitado por su capacidad de adhesión a un conductor metálico, o un aislamiento polimérico para un cable conductor puede ser elegido debido a su bajo coste.

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