El documento presenta una introducción a los materiales de ingeniería. Explica que el diseño mecánico involucra la selección de materiales adecuados y geometrías posibles, considerando la aplicación deseada y el ambiente. También describe cómo las propiedades de los materiales dependen de factores como su estructura, composición y procesamiento.

1. MATERIALES DE
INGENIERÍA (Parte 1)
Julio Vergara Aimone
ICM 2312

2. INTRODUCCION
El diseño mecánico debe estar subordinado a la
utilidad del componente o sistema, que tendrá
una aplicación deseada en cierto ambiente.
Ese diseño involucra la selección de materiales
adecuados y geometrías posibles.
La 1a define el tipo de propiedades que se prefie-
ren, acorde a los componentes básicos y enlaces,
morfología, estructura, historial de procesamien-
to y ausencia de defectos, para desempeñar un
rol. Este arreglo definirá cierto comportamiento
mecánico, en un laboratorio.
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3. INTRODUCCION
El diseño mecánico debe estar subordinado a la
utilidad del componente o sistema, que tendrá
una aplicación deseada en cierto ambiente.
Ese diseño involucra la selección de materiales
adecuados y geometrías posibles.
La 2a determina la forma general de las piezas,
los esfuerzos, deformaciones y deflexiones a las
cuales se someterá el componente debido a sus
cargas. En la mayoría de los casos, las piezas de-
ben incorporar márgenes para asegurar que el
desempeño sea satisfactorio durante su vida útil.
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4. INTRODUCCION
El diseño mecánico debe estar subordinado a la
utilidad del componente o sistema, que tendrá
una aplicación deseada en cierto ambiente.
¿Qué entendemos por “ambiente”?.
El ambiente de operación implicará un arreglo de
condiciones que alterarán el comportamiento del
material. Pueden ser cargas con cierto historial
de aplicación (i.e. estático, cíclico) a una tempe-
ratura dada (i.e. alta, muy baja, estable, variable),
potencial electroquímico y a veces neutrones.
.
El sueño del diseñador: f (s, e, e, T) = 0
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5. INTRODUCCION
Aplicación
Ambiente
Cargas
Material Geometría
T
E, sy, sUTS, ef, sF, n, E+ SP, Q, M, I, Pb, kt, kf,
r, KIC, $, Cp, k, a, … n s 1 , s 2 , s 3 , e i, …
Comportamiento
f (si, ej,...) < sADM
Desarrollo
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6. MATERIALES DE INGENIERÍA
Hay diferentes modelos para ponderar materiales
de ingeniería. Veremos un par de modelos.
Una subestimación de propiedades puede signi-
ficar una inutilidad por la pérdida de preferencia
en un mercado (i.e. un amortiguador que afloja)
como también un accidente catastrófico (i.e. un
avión que se fractura o un tren que descarrila).
La sobreestimación de propiedades implicará un
gasto de innecesario de recursos. En un ejemplo
anterior, el sobredimensionamiento de un cuerpo
en rotación implicaba una falla por propia masa.
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7. MATERIALES DE INGENIERÍA
El comportamiento de esos materiales depende
del entorno o ambiente de operación al cual se
somete, aspectos que revisaremos.
Además, vimos antes algunos ejemplos que nos
señalan una rara interelación de la aplicación con
decisiones humanas posteriores, que no fueron
consideradas completamente en el diseño.
No todos los diseñadores anticipan estos aspec-
tos. La experiencia de un diseñador responsable
impondrá márgenes y salvaguardias para no salir-
se de la “frontera de operación segura”.
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8. MATERIALES DE INGENIERÍA
Aplicación
Ambiente
Cargas
Material
T
E, sy, sUTS, ef, sF, n, E+
r, KIC, $, Cp, k, a, … n
Comportamiento
f (si, ej,...) < sADM
Desarrollo
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9. MATERIALES DE INGENIERÍA
Las clases de Metales y ¡ Los atributos
aleaciones
materiales: sy medio qué esperamos!:
ef medio
E alto
KIC medio
Precio amplio
Compositos
sy alto
ef medio
Cerámicos (crist.) E alto Polímeros
y vidrios (amorfo) KIC medio
sy alto Precio alto sy medio
ef bajo ef alto
E alto E bajo
KIC bajo KIC medio
Precio bajo Precio medio
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10. MATERIALES DE INGENIERÍA
Uso de metales:
Queen Mary II: 76 mil toneladas de una amplia gama de metales en
el casco, estructuras, turbomáquinas, etc. para un servicio de turis-
mo de lujo a 2600 pasajeros, atendidos por 1250 personas. El buque
desplaza 150 mil toneladas y navega a más de 50 km/h con una no-
vedosa combinación de turbinas, motores Diesel y cuatro propulso-
res eléctricos en bulbo de giro azimutal (mermaids). Genera 1/3 más
de electricidad (no propulsiva) que la región de Aysén.
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11. MATERIALES DE INGENIERÍA
Uso de cerámicos y vidrios:
Los cerámicos son cristales para variadas aplicaciones mundanas
(vajilla para la cocina) y otras sofisticadas, que incluyen membranas
de UF asimétrica, álabes de turbinas, paredes de reactores de fusión
y combustible nuclear. Su mayor atributo, aparte de la formabilidad,
es la resistencia a la temperatura y a ciclos térmicos, i.e. en álabes
de turbinas. Los vidrios, por otro lado, son materiales amorfos con
propiedades ópticas aptos para muchos usos comunes.
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12. MATERIALES DE INGENIERÍA
Uso de polímeros:
Los polímeros son encadenamientos amorfos para una
amplia variedad de aplicaciones estructurales para
la industria y de uso diario, así como usos médicos y químicos.
Los automóviles los utilizan en muchas partes (i.e. molduras, cu-
biertas, revestimientos, etc.) y piezas (mangueras, sellos, silvines,
soportes, radiadores, etc.). Hay polímeros naturales (i.e. madera y
la goma) y polímeros sintéticos (i.e. plásticos y elastómeros).
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13. MATERIALES DE INGENIERÍA
Creciente uso de compositos:
Boeing 787: Compositos le ahorrarán ~20% de combustible (y emi-
siones) respecto a un avión (aparato complejo donde la seguridad
es vital) de igual tamaño y prestación, por: (a) mejor aerodinámica,
(b) nuevas turbinas (RR o GE, con 8% de la economía, con bajo
nivel de ruido, para M=0.85), (c) sistema eléctrico distribuido, (d)
menor peso total por uso intensivo de estos materiales (15 tons
menos que su par Airbus A330-200) y (e) otras tecnologías.
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14. MATERIALES DE INGENIERÍA
Creciente uso de compositos:
El B787 usará 50% de compositos en fuselaje y alas, 20% de alumi-
nio, 15% de titanio, 10% de acero y 5% de otros. Además, nuevas
tecnologías de producción eliminarán vigas y miles de remaches,
y permitirá que varias secciones del fuselaje sean una sola pieza.
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15. MATERIALES DE INGENIERÍA
Las clases de Metales y El ambiente
aleaciones
materiales: típico en DM:
Mecánico
Compositos
Ambiente Polímeros
Cerámicos (crist.)
y vidrios (amorfo)
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16. CIENCIA DE MATERIALES
Procesamiento A
de materiales.
Enlace
Iónico
Covalente
Metálico
Molecular
Empaque
Hendiduras Estructura Atómica
Grietas
7 Sistemas
Segregación
Macro Tratamiento térmico
Micro
Defectos
Deformación (deslizamiento, maclaje)
Puntuales
Lineales Estructura de Grano
Volumétricos Propiedades
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17. CIENCIA DE MATERIALES
Compósito
Repulsión
Atracción
Cerámico
Polímero
Enlaces Atómicos
Metal
Iónico Se atraen iones U = - q2 + B + U X X X
i
por fuerza EM 4pe0a a n
Covalente Se comparten e- U = - A + B X X X X
de última órbita a m an
Metálico Se desacoplan e- U = - A + B X X
de última órbita a m an
Molecular Se atraen por U=- A + B X X X
momento dipolar a6 an
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18. CIENCIA DE MATERIALES
U B repulsión
Fuerzas an
interatómicas
a A atracción
-
am
ao Ref: Adaptado de Ashby
a
dU
F= dU
da F = max
max da Atracción
dU
0 0
da
a0 = Posición de equilibrio repulsión
ad = Posición de disociación
a
a0 ad
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19. CIENCIA DE MATERIALES
U B repulsión
Módulo de Young an
a A atracción
-
am
ao Ref: Adaptado de Ashby
a
a0 ad
dF d2U
Se define S, la Rigidez del enlace: S= =
da da2
d2U
Si la elongación es pequeña, S es cte: S0= ≡
da2 a=a
a 0
∫
La fuerza entre 2 átomos, cerca de a0: F = S0 da = S0 (a–a0)
a0
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20. CIENCIA DE MATERIALES
U B repulsión
Módulo de Young an
Supongamos una estruc- A atracción
-
tura de enlaces simples: am
Ref: Adaptado de Ashby
a
ao ad
s s
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21. CIENCIA DE MATERIALES
U B repulsión
Módulo de Young an
Supongamos una estruc- A atracción
-
tura de enlaces simples: am
Ref: Adaptado de Ashby
a
ao ad
Llamamos esfuerzo s a la
s s
fuerza por unidad de área.
s = N∙F = N∙S0 (a–a0)
N es el número de enlaces
ao por unidad de área (N=1/a02).
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a ICM2312

22. CIENCIA DE MATERIALES
U B repulsión
Módulo de Young an
Supongamos una estruc- A atracción
-
tura de enlaces simples: am
Ref: Adaptado de Ashby
a
ao ad
a–a0 1
Llamamos deformación e : e= N= 2
a0 a0
S0
Vimos que el esfuerzo es s : s = N∙S0∙(a–a0) = e = E∙e
a0
S0
Módulo de Young (E) E= (Ley de Hooke s = E∙e)
a0
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23. CIENCIA DE MATERIALES
U B repulsión
Módulo de Young an
E puede obtenerse de S0, A atracción
-
i.e. la 2a derivada de U: am
d2U S0 Ref: Adaptado de Ashby
S0= 2 E= ao ad
a
da a0
dU d -q2 + B + U q2a0n-1
Con enlace iónico: = i = 0  B=
da da 4pe0a a n
4npe0
S0 (n-1)∙q2 (0.58)∙(1.6∙10-19)2
Luego, E será : E= = 4 = 4p8.8∙10-12(2.5∙10-19)4
a0 4pe0a0
E = 38 GPa Para un metal, m < n
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24. CIENCIA DE MATERIALES
U B repulsión
Módulo de Young an
E puede obtenerse de S0, A atracción
-
i.e. la 2a derivada de U: am
d2U S0 Ref: Adaptado de Ashby
S0= 2 E= ao ad
a
da a0
Rango típico Metales E ~ 30 a 500 GPa (S0 ~15-40 N/m)
para materia- Cerámicos E ~ 8 a 1000 GPa (S0 ~9-180 N/m)
les sólidos: Polímeros E ~ 10-2 a 20 GPa (S0 ~ 1 N/m)
Compositos E ~0.8 a 600 GPa (S0 ~ complejo)
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25. CIENCIA DE MATERIALES
Módulo de Young
METALES CERAMICOS POLIMEROS COMPOSITOS
103 Diamante
WC, SiC
Metales y
E
aleaciones
Os, W, Mo Al2O3, Si3N4 Cermets
E alto
Cr, Ni MgO CFRP
102 Fe, Acero
Cu, Ti, Al
ZrO2, Mulita
Sílica Fibra vidrio
GPa Zn, Sn, Mg
Pb
Cemento
Grafito
GFRP
Compositos
E alto
101 Res-Alquídica Cerámicos (crist.) Polímeros
Melamina Madera II y vidrios (amorfo)
E alto E bajo
Polimida
PMMA
Poliestireno
100 Nylon
Epoxy
Madera ┴
Polietileno
10-1 Polipropileno
Gomas
10-2 PVC
Espuma
polimerica
Ref: Ashby
10-3
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26. CIENCIA DE MATERIALES
Medición del módulo de Young
E puede estimarse sometiendo una probeta a s
E=
tensión o compresión, con la Ley de Hooke: e
Una pequeña deformación e puede imponer
alta variación en E, aún con un extensómetro 16pML3n2
E=
preciso. Será mejor medir E a partir de la fre- 3d4
cuencia natural de una barra del material:
Más preciso es medir la velocidad de ondas
E = rvL2
de sonido (longitudinal) en el material:
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27. CIENCIA DE MATERIALES
La estructura atómica
La forma en que los átomos están unidos es tan importante
como el Módulo de Young o la rigidez del material.
En general, hay tres tipos de arreglo atómico:
a) Cristales (metales y cerámicos).
b) Amorfo (vidrios inorgánicos y polímeros).
c) Cadenas (polímeros).
Podríamos agregar los compositos como híbridos de a, b, c.
Estos arreglos determinan las propiedades mecánicas de los
materiales de ingeniería.
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28. CIENCIA DE MATERIALES
Cuerpo Cara Base
a) Estructura cristalina Simple
centrado centrada centrada
Cúbico (cubo isomérico)
Ortorómbico (cuboide)
Tetragonal (cuboide cuadrado)
Hexagonal (centrado regular)
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29. CIENCIA DE MATERIALES
Cara
a) Estructura cristalina Simple
centrada
Triclínico (paralelepípedo)
Rombohédrico (trigonal)
Monoclínico (prisma recto)
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30. CIENCIA DE MATERIALES
a) Estructura cristalina
La estructura del cristal, 14 arreglos según demostró el físico
francés Auguste Bravais, define la rigidez y estabilidad de los
materiales. El arreglo resultante es el que minimiza la energía.
La minimización de la energía puede requerir un arreglo dife-
rente a distintas temperaturas. En tales casos, se modifica la
estructura del cristal, dando lugar a otro comportamiento.
El diseño de un mecanismo requiere conocer su ambiente de
operación. Por ejemplo, un acero al carbono no servirá en un
ambiente criogénico (i.e. estanque de LNG o vasija de ITER).
Más adelante veremos atributos de los metales.
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31. CIENCIA DE MATERIALES
a) Estructura cristalina: Algunos ejemplos.
g Ni3Nb Titanio-a U3Si2
Estructura de discos que Tubos de condensadores. Cerámico usado como
aumentan la resistencia Cristal HCP con c/a= 1.59. combustible disperso en
de superaleaciones (i.e. Se transforma en BCC (Ti- MTR de alta densidad.
718). Tetragonal CC. b) sobre 890 C. Tetragonal CC.
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32. CIENCIA DE MATERIALES
a) Estructura cristalina: Otros ejemplos.
Para el caso de materiales porosos, típico en ciertos metales
y cerámicos sinterizados, EP puede estimarse corrigiendo el
módulo por una función de la porosidad (P). Por ejemplo:
Si E es el módulo para el mismo material a densidad teórica:
f(P)= fY
f(P)= exp(- a(1-P))
EP = E·f(P)
f(P)= (1-P)/((1-P)+bE0P)
f(P)= exp(-b(1-P)-c(1-P)2)
con: f y Y factores adimensionales, a, b y c contantes.
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33. CIENCIA DE MATERIALES
a) Estructura cristalina: Problemas
Mitos de la peste
del estaño : boto-
nes de Napoleón,
contenedores de
parafina de Scott
Degradación seria
por cambio de es-
tructura cristalina
Napoleón Bonaparte II Robert Falcon Scott
(Emperador) (Armada Real)
Dramático regreso de la No regresa de expedición
campaña rusa (1812) por antártica (1912) por frío,
frío, deserción y caídos. cansancio y hambre.
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34. CIENCIA DE MATERIALES
b) Estructura amorfa
Los vidrios usualmente son óxidos (i.e. sílica o
SiO2) sin una estructura cristalina o repetitiva. El
poderoso enlace iónico da resistencia térmica.
Un vidrio común se funde a +1000 C por los fuertes enlaces
covalentes entre Si y O. Agregando soda (Na2O) se pueden
romper enlaces y bajar tal temperatura a unos 700 C.
Un vidrio común es el vidrio Borosilicato (SiO2 y B2O3). Este
posee bajo coeficiente de expansión térmica (5·10-6/ C a 20 C)
que lo hace muy resistente al impacto térmico.
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35. CIENCIA DE MATERIALES
b) Estructura amorfa: ejemplos
Un vidrio cerámico es otra aplicación de interés en ingenie-
ría, en el que el material comparte las propiedades de una
estructura cristalina y de una estructura amorfa.
Son formados como vidrio y cristalizados por tratamiento
térmico. Una fuente típica contiene cristales unidos mediante
bordes de grano amorfos.
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36. CIENCIA DE MATERIALES
c) Estructura polimérica
Los polímeros son materiales de creciente
importancia en ingeniería y diseño mecánico.
Sus aplicaciones son tan amplias (i.e. correas
de transmisión, contenedores, adhesivos)
como sus propiedades mecánicas.
Son estructuras basadas en largas cadenas de carbono o
silicio con enlaces covalentes, desde las que
se encadenan moléculas para cierta
aplicación. La arquitectura polimérica se
encarga de lograr formas y propiedades aptas.
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37. CIENCIA DE MATERIALES
c) Estructura polimérica: ejemplos
Los polímeros se clasifican en gomas (flexibles,
con E ~3 MPa) y plásticos (rígidos, con E ~1-10
GPa). Una mezcla entre ambos logra los elasto-
meros termoplásticos (TPE), cuyo ejemplo
típico son los acrílicos (PMMA).
Estos materiales se pueden entrelazar (i.e. por calor, presión
o radiación gama) para mejorar propiedades o volverlos más
resistentes. Por ejemplo, la madera mejora con radiación g.
También se desarrollan fibras termoplásticas que se integran
en materiales compositos.
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38. CIENCIA DE MATERIALES
c) Estructura polimérica: problemas
La mayoría de los materiales poliméricos sufren una transi-
ción a baja temperatura. Su ductilidad relativa se reduce y se
vuelven rígidos mientras dure esa condición ambiental. En
esa condición se tornan frágiles, debido a los enlaces.
Los polímeros son cadenas amorfas, con una columna de C
con enlaces covalentes. Esta estructura se “solidifica” por
medio de enlaces covalentes cruzados. Pero, su elasticidad
gruesa (módulo E) está dado por enlaces moleculares entre
secciones de cadena. A mayor temperatura estos enlaces se
disipan y el material se torna plástico  “transición vítrea”.
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39. CIENCIA DE MATERIALES
c) Estructura polimérica: problemas
Diamante
Cada polímero tiene su TG, 103
sobre la cual adquiere plas- E
102 Cross-link denso
ticidad. Aquellos sin enlaces GPa Resina Epoxi
cruzados se funden comple- 101
Nylon
Alquídico
tamente a TG y se vuelven PMMA
líquidos viscosos (silicona). 100
Temperatura < T G
Otros, al ser tensionados, se
10-1 Polietileno
tornan chiclosos. A medida
que las cadenas se densifi- 10-2
Temperatura > T G
can el módulo crece. 10-4 10-3 10-2 10-1 100
Densidad de enlaces cruzados
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40. CIENCIA DE MATERIALES
Uso de compositos
Los compositos permiten mejorar ciertas propiedades. Por
ejemplo, un polímero se puede hacer más rígido que lo que
ofrece sus enlaces moleculares mezclándolo con un material
más rígido, a través de algún reticulado. De este modo, se
puede hacer materiales resistentes y a la vez poco densos.
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41. CIENCIA DE MATERIALES
Uso de compositos: algunos ejemplos
 GFRP: Glass-fibre-reinforced polymer (polímero reforza-
do con fibra de vidrio).
 CFRP: Carbon-fibre-reinforced polymer (polímero refor-
zado con fibra de carbono-grafito).
 BFRP: Boron-fibre-reinforced polymer (polímero reforza-
do con fibra de boro).
 Polímeros llenos: polímeros mezclados con algún polvo
para mejorar su resistencia.
 Madera: Polímero amorfo de lignina, reforzado con fibras
de celulosa.
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42. CIENCIA DE MATERIALES
Uso de compositos: algunos ejemplos
100-0 kph: 1 s / 20 m
Extenso uso de GFRP en vehículos
de alto rendimiento. Carrocería de
menos de 500 kg.
1.4 kg de funciones
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43. CIENCIA DE MATERIALES
Uso de compositos: Estimación del Módulo
Se puede estimar el rango de propiedades de un composito.
Supongamos que se tiene una matriz polimérica (M) con un
cierto volumen (VF) de fibras (F).
Para una estimación inicial, las fibras pueden estar orienta-
das de forma paralela o perpendicular. Esto determinará el
Módulo de young máximo y mínimo del componente.
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44. CIENCIA DE MATERIALES
Uso de compositos: Estimación del Módulo
Módulo con fibra paralela: Se asume que los materiales del
composito se exponen a igual deformación (e) durante la
exposición al esfuerzo o carga. s
eC
s = VF·sF + (1-VF)·sM
s = EF·VF·eC + EM·(1-VF)·eC
M
Como EC = s/eC , luego: F
E = VF·EF + (1-VF)·EM s
Este es el Módulo E más alto que podría lograrse.
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45. CIENCIA DE MATERIALES
Uso de compositos: Estimación del Módulo
Módulo con fibra perpendicular: Se asume que los materia-
les del composito se exponen a iguales esfuerzos (s), y la
deformación total (eC) es el promedio ponde- s
rado de las deformaciones individuales.
e= VF·eF + (1-VF)·sM
M
s = VF·sC /EF + (1-VF)·sC/EM
F
Como EC = s/eC , luego:
EC = 1 /(VF/EF + (1-VF)/EM) s
Este es el Módulo E más bajo que podría lograrse.
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46. CIENCIA DE MATERIALES
Uso de compositos: Estimación del Módulo
Los compositos con una orientación anisotrópica no tienen
buen desempeño cuando la carga es perpendicular. Este es
el caso de la madera, según su fibra (F).
EF Estimación alta
Compositos
EC particulados
Anisotropía
(isotrópicos)
EM Estimación baja
0 VF 1
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47. CIENCIA DE MATERIALES
Densidad de los sólidos
La densidad refleja la masa y diámetro de los átomos de los
componentes, teniendo en cuenta su factor de empaque, o
la eficiencia en que se llenan los espacios interatómicos.
La densidad de los metales es más alta porque los átomos
que los componen son más pesados (Al, Fe, Ni, Cr, Mo, V) y
porque las redes que adoptan son más compactas. Por otro
lado, la de los cerámicos es intermedia, por redes menos
compactas y por estructuras de pulvimateriales. Asimismo,
los polímeros son los menos densos pues los enlaces son
moleculares amorfos a partir de átomos livianos (H, C, O).
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48. CIENCIA DE MATERIALES
Densidad de los sólidos
METALES CERAMICOS POLIMEROS COMPOSITOS
105 Metales y
aleaciones
r r alta
Pt, W, Au
Pb WC
104
Compositos
Cermets
Ag, Cu TiC, ZrC r media
kg Fe, Aceros
Zn, Ti, Al
Al2O3, MgO
Si3N4, SiC
PTFE
Cerámicos (crist.)
y vidrios (amorfo)
r alta
Polímeros
r amplia
PVC
m3 Be
Cemento Epoxy
PMMA
GFRP
103 Nylon
Poliestireno
CFRP
Polietileno Maderas
Gomas
102 Espuma
polimerica
Ref: Ashby
101
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49. PROPIEDADES DE MATERIALES
Ronald Ballinger, MIT, EUA, afirma que el diseño
de cualquier componente o sistema, necesita el
concurso de las siguientes requisitos:
1 Aplicabilidad
2 Conveniencia
3 Fabricabilidad
4 Disponibilidad
5 Economía
6 Compromiso
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50. PROPIEDADES DE MATERIALES
I) La aplicabilidad debe responder esta pregunta:
¿Funcionará el componente en cierto ambiente?.
Los ambientes esperables son los siguientes:
a) Mecánico
b) Químico
c) Térmico
d) Nuclear
La interacción de ambientes puede ser peor que
la suma de ellos:
e) a + b + c + d
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51. PROPIEDADES DE MATERIALES
Aplicabilidad: a) ambiente mecánico.
a1) Historial de cargas operacional:
Estático (i.e. barra pretensada en dique)
Cíclico (i.e. HCF en avión)
Combinadas (i.e. torsión + compresión)
Elástico vs plástico
a2) Cargas relativas a la fabricación:
Deformación (i.e. trefilado, extrusión)
Esfuerzos residuales (i.e. soldaduras)
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52. PROPIEDADES DE MATERIALES
Aplicabilidad: a) ambiente mecánico.
a3) Cargas externas:
Presión hidrostática
Térmica estática y cíclica (i.e. TG)
Impacto o pulso (i.e. colisión)
a4) (In)Dependencia temporal:
Creep (DT en álabes de turbina)
Esfuerzos residuales.
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53. PROPIEDADES DE MATERIALES
Aplicabilidad: b) ambiente químico.
b1) Compatibilidad electroquímica:
Dos metales, con propiedades aptas indivi-
dualmente, puede fallar en dupla (i.e. Fe-Cu)
Requerirá ánodos de sacrificio.
b2) Química general versus local:
Ciertas zonas concentran materiales (i.e.
herrumbe en la grilla de tubos de caldera
puede ser 10000 veces más que global).
Requerirá diseño para impedir deposición.
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54. PROPIEDADES DE MATERIALES
Aplicabilidad: b) ambiente químico.
b3) Normal vs falla:
Ante una falla (i.e. filtración), ácidos típicos
para controlar pH, podrían alterar la concen-
tración local.
b4) Nominal versus real:
La realidad suele ser diferente a la condición
señalada en la placa (i.e. automóvil en campo
vs la playa cerca de una planta a carbón).
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55. PROPIEDADES DE MATERIALES
Aplicabilidad: c) ambiente térmico.
c1) Estado estacionario: (koe-(Q/RT))
Especialmente en turbomáquinas y sistemas
de alta temperatura.
c2) Partida y parada:
Plantas térmicas (i.e. DT en tubos y placas).
c3) Transientes y accidentes.
Turbina de central Colbún (en San Isidro) o
falla del generador en turbina eólica.
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56. PROPIEDADES DE MATERIALES
Aplicabilidad: d) ambiente nuclear.
d1) Efectos sobre las propiedades mecánicas
Un campo neutrónico (alta energía) equiva-
le a “nano”balines que alteran la red crista-
lina de un metal (crean defectos), alterando
la resistencia(+), tenacidad(−) y ductilidad(−).
d2) Efectos sobre las propiedades químicas
Los neutrones y rayos gama descomponen
agua por un instante (se vuelve oxidante).
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57. PROPIEDADES DE MATERIALES
Aplicabilidad: e) combinación de ambientes.
fg Ebullición
fn
t
sa s1
Adaptado de R. Hertzberg
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58. PROPIEDADES DE MATERIALES
II) La conveniencia tiene que ver con la experien-
cia en el mercado y los costos de desarrollo. Re-
quiere responder las siguientes preguntas:
1) ¿Está el material calificado para X ambiente?
2) ¿Hay datos para validar su desempeño?
3) ¿Qué información falta?, ¿es legal?
4) ¿Puede ser obtenido en costo y en tiempo?
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59. PROPIEDADES DE MATERIALES
III) La fabricabilidad se relaciona con los procesos
para producir los materiales que formarán parte
de un sistema. Esto incluye la elección de elemen-
tos químicos, su procesamiento termomecánico y
la estabilidad de fases (no todos sirven).
Asimismo, el material de una pieza debe formarse
con una geometría deseada. Algunas partes debe-
rán ser unidas (i.e. soldadas) y maquinadas a las
tolerancias deseadas.
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60. PROPIEDADES DE MATERIALES
Fabricabilidad y los procesos termomecánicos,
implica responder a las siguientes preguntas:
1) ¿Pueden obtenerse las propiedades mecánicas
deseadas?
2) ¿Cuanta variabilidad se puede permitir en las
propiedades mecánicas resultantes?
3) ¿Puede lograrse la (electro)química deseada?
4) ¿Puede mantenerse la (electro)química desea-
da?. Efectos históricos.
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61. PROPIEDADES DE MATERIALES
Fabricabilidad y la producción de componentes
significa someterse a fabricación y maquinado.
a) Técnicas de fabricación:
1) Soldadura: puede afectar las propiedades
mecánicas.
2) Maquinado: puede inducir esfuerzos (algunos
se rompen o deflectan la herramienta)
b) Técnicas de unión: ¿tolera hendiduras, defec-
tos y coplas?. Si se puede, ¡es mejor evitarlas!
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62. PROPIEDADES DE MATERIALES
IV) La disponibilidad se encarga de determinar la
existencia natural y control de los materiales así
como de la capacidad real de manufactura.
¿Está el material disponible?
¿Es la fuente confiable? (i.e. gas ruso)
¿Hay material suficiente?, ¿es reciclable?
¿A qué costo?
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63. PROPIEDADES DE MATERIALES
V) La economía determina si es rentable e incluso
posible diseñar un cierto componente.
¿Cuánto cuesta producirlo hoy?
¿Cuánto costará producirlo en el futuro?
¿Vale la pena usar un material más caro?
Ejemplos: la selección de un acero galvanizado vs
aluminio para una torre de alta tensión.
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64. PROPIEDADES DE MATERIALES
VI) El compromiso significa ponderar los diversos
factores en su mérito:
1 Aplicabilidad
2 Conveniencia
3 Fabricabilidad
4 Disponibilidad
5 Economía
La selección final puede utilizar diversas técnicas y
ponderaciones (AHP, curva S, etc.)
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65. PROPIEDADES DE MATERIALES
¿Modelo coherente?
Diseño
Compromiso
Economía
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66. PROPIEDADES DE MATERIALES
Michael Ashby, Cambridge, UK, sostiene que el
diseño de un componente involucra elegir las
propiedades intrínsecas de los materiales. Este
es un método alternativo/complementario.
Señala que el desempeño mecánico del compo-
nente debe ser adecuado (i.e. resistencia). Sus
propiedades no mecánicas (i.e. conductividad) y
superficiales (i.e. resistencia a corrosión) deben
permitirle operar en cierto ambiente. Además,
debe ser económico, fabricable y atractivo.
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67. PROPIEDADES DE MATERIALES
Propiedades
Intrínsecas Atribuibles
Mecánicas Costo y
Gruesas Disponibilidad
No Mecáni- Producibilidad
Diseño
cas Gruesas y Manufactura
Superfi- Estética y
ciales Apariencia
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68. PROPIEDADES DE MATERIALES
Propiedades mecánicas gruesas (intrínsecas):
 Densidad
 Modulo y Amortiguación
 Esfuerzo máximo
 Resistencia a la tensión
 Dureza superficial
 Resistencia a la fatiga
 Resistencia a la termofatiga
 Resistencia a la termofluencia
 Tenacidad a la fractura
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69. PROPIEDADES DE MATERIALES
Propiedades no mecánicas gruesas (intrínsecas):
 Propiedades térmicas
 Conductividad térmica
 Expansión térmica
 Calor específico
 Punto de fusión
 Calor latente
 Propiedades ópticas
 Propiedades magnéticas
 Propiedades eléctricas
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70. PROPIEDADES DE MATERIALES
Propiedades superficiales (intrínsecas):
 Oxidación (formación de óxidos en aire)
 Corrosión (disolución iónico en el medio)
 Fricción
 Abrasión
 Desgaste
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71. PROPIEDADES DE MATERIALES
Propiedades de producibilidad (atribuibles):
 Facilidad de manufactura
 Formabilidad
 Capacidad de unión (coplas)
 Soldabilidad
 Capacidad de acabado
 Capacidad de ser protegido
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72. PROPIEDADES DE MATERIALES
Propiedades estéticas (atribuibles):
 Apariencia
 Uniformidad
 Color
 Rugosidad
 Textura
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73. PROPIEDADES DE MATERIALES
Propiedades económicas (atribuibles):
 Costo
 Precio actual
 Precio futuro
 Costo energético
 Disponibilidad
 Ubicuidad
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74. PROPIEDADES DE MATERIALES
Precio Au
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75. PROPIEDADES DE MATERIALES
Precio Ni
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76. PROPIEDADES DE MATERIALES
Precio Al
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77. PROPIEDADES DE MATERIALES
Precio Ti
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78. PROPIEDADES DE MATERIALES
RECURSOS
Identificados No indentificados
Económicos No económicos
 Creciente Costo
 Más Tecnología Recursos
(incluye reservas)
COSTO
Reservas  Más prospección
 Creciente Incertidumbre
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79. CONCLUSIONES
Sabemos que el diseño mecánico se subordina a
la utilidad del componente o del sistema.
Tal diseño involucra la selección de materiales y
geometrías, aplicado a un cierto ambiente y suje-
to a un procedimiento de utilización.
Vimos el triángulo de materiales (tipos) y sus
propiedades generales.
Revisamos algunos modelos de caracterización/
ponderación de materiales de ingeniería, que nos
permiten una preselección razonable.
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80. CONCLUSIONES
Conocemos dos de las propiedades (E y r) más
importantes para el diseño mecánico, así como
el rango de tales variables para materiales gené-
ricos. Estas propiedades repercuten en la defini-
ción de grandes sistemas.
Veremos otras propiedades en la próxima clase,
con énfasis en metales y aceros.
En particular, revisaremos algunas metodologías
para optimizar y seleccionar materiales para apli-
caciones específicas.
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