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Presentacion MMCs

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on 5 July 2017

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Transcript of Presentacion MMCs

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE MECANICA
DEPARTAMENTO DE TEGNOLOGIA Y DISEÑO
ASIGNATURA. EL ALUMINIOS Y SUS ALEACIONES

Materiales Compuestos de Matriz de aluminio
Bachiller:
Aliomar J. Lozada R.
C.I. 19.436.149
Profesor:
Carlos Bloem

Septiembre, 2013
Materiales compuestos
Un material compuesto es un sistema de materiales constituido por una mezcla o combinación de dos o mas micro o macroconstituyentes que difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre si.
El material compuesto esta formado por un fase discontinua, también llamada refuerzo, ya que de ella dependen principalmente las propiedades mecánicas, y por un fase continua o matriz, responsable de la resistencia térmica y ambiental del material, que engloba al refuerzo y hace del material una estructura monolítica.
Componentes de lo Materiales compuestos
Clasificación de los Materiales Compuestos
Según su
Matriz
Según su tipo
de refuerzo
Materiales compuestos reforzados con partículas
Materiales Compuestos de matriz Polimérica
Materiales compuestos
Híbridos
Materiales compuestos de matriz metálica
Materiales
compuestos de
matriz cerámica
Materiales
compuestos reforzados con
fibras
Este tipo de materiales compuestos ha sido fuertemente investigado el los últimos años, lo que ha hecho posible la producción de nuevos materiales de gran resistencia y bajo peso. Los MMC se pueden dividir en dos grandes familia:
Los destinados a aplicaciones de corte y desgaste y aquellos materiales de alta rigidez, resistencia y módulo específico, normalmente destinados para aplicaciones
estructurales en la industria automotriz o
aeronáutica. El primer grupo de materiales se basa en matrices de metales de transición (Co, Fe, Ni) y el segundo en aleaciones ligeras
(Al, Ti, Mg).
Materiales compuestos de matriz metálica
MATRICES UTILIZADAS PARA LA FABRICACIÓN DE MMC
Las aleaciones más comúnmente empleadas en materiales compuestos de matriz metálica son:
las ligeras del aluminio (principalmente de las series 2000, 6000, 7000 y 8000).
El titanio y sus aleaciones (aunque en algunos casos presentan el problema de reacción química con el refuerzo durante el procesado a temperaturas elevadas, lo que deteriora las propiedades del compuesto obtenido).
El magnesio y sus aleaciones (que presentan graves problemas de corrosión).
Funciones de la matriz
Proteger las fibras o partículas del ambiente exterior (aire, humedad,...).
Mantener a cada fibra en su sitio y permitir que estas desarrollen su capacidad estructural.
Repartir y transmitir las cargas de los elementos de refuerzo.
Resistencia a la corrosión o a la oxidación, o una buena resistencia mecánica en caliente.
Propiedades de materiales metálicos empleados como matriz
REFUERZOS EMPLEADOS EN MMC
Los refuerzo se pueden dividir en tres categorías; fibras continuas, whiskers y partículas. Usualmente, se obtienen mejores propiedades mecánicas al usarse fibras continuas, reforzando en la dirección de la carga aplicada, mientras que con whiskers y partículas, la resistencia disminuye, pero se tiene una gran isotropía en el material.
Funciones del refuerzo
Soportar las tensiones que se ejercen sobre el
compuesto.
Aumentar las características mecánicas de la
matriz, su dureza y resistencia al desgaste.
Mitigar los fallos de estas características con el
aumento de temperatura.
Frenar o detener la propagación de grietas a través
del compuesto y el desarrollo de las fisuras.
Propiedades de MMC con refuerzos continuos y discontinuos
Materiales compuestos con matriz de Aluminio y sus aleaciones
En los últimos años ha surgido gran interés por el estudio de los materiales compuestos de matriz de aluminio y sus aleaciones debido principalmente al bajo peso de éstas, así, las aleaciones de aluminio mas comúnmente empleadas en MMC son las ligeras de aluminio (series 2000, 6000, 7000 y 8000).


Características
Poseen una excelente resistencia a la tracción.
Su ductilidad es buena.
Tienen un buen comportamiento frente a la corrosión.
Presentan buen desarrollo frente al mecanizado y a la soldadura.
En algunos casos es posible su reciclado.
Su costo es relativamente bajo.
Facilidad de procesado.
Son muy ligeros.
Clasificación
Hay tres tipos principales de materiales compuestos de matriz de aluminio: reforzados con particulas (a), reforzados con fibras discontinuas alineadas y al azar (b) y (c) respectivamente y reforzados con fibras continuas (d).
MMCs reforzados con partículas y fibras discontinuas
Estos materiales tienen la ventaja en ingeniería de elevada resistencia, gran rigidez y mejor estabilidad dimensional que las aleaciones metálicas sin refuerzos, por ejemplo, una aleación de aluminio 6061 reforzada con un 20% de SIC puede aumentar de 310 MPa a 496MPa su resistencia a la tracción y de 69 a 103 GPa su modulo de elasticidad.
MMCs reforzados con fibras continuas
Las fibras continuas proporcionan la optimización en rigidez y resistencia. Uno de los primeros MMC desarrollados fue un compuesto de matriz de aluminio con refuerzo de fibra de boro. Con la adición de un 51% de fibras de boro a una aleación de aluminio 6061 la resistencia a la tracción aumenta significativamente de 310 a 1.417 MPa y el modulo de elasticidad de 69 a 231 GPa.
Propiedades
1.Propiedades mecánicas.

1.1 Comportamiento mecánico a temperatura ambiente.
1.1.1
Modulo de elasticidad:
Las fibras cortas en el compuesto provocan un aumento de la rigidez en la dirección de alineamiento. El módulo de elasticidad aumenta de forma lineal en el caso de alineamiento uniaxial de refuerzos continuos y en fibras cortas Su incremento estará condicionado por el grado de alineamiento y la orientación de las fibras en la dirección del ensayo.


1.1.2
Límite elástico:
La adición de refuerzos discontinuos en valores del 5 % o más, produce un aumento del límite elástico en una gran variedad de aleaciones de aluminio.
Los principales factores que contribuyen a la mejora del límite elástico son:
- tensiones térmicas residuales: se originan debido a la diferente contracción térmica de la matriz y del refuerzo.
- mecanismos de refuerzo de la matriz: este efecto, se refiere, principalmente, a las variaciones microestructuralesrelacionadas con el afino de tamaño de grano y aumento de la densidad de dislocaciones que se producen en el material.
1.1.3
Endurecimiento:
el comportamiento mecánico de los MMCs viene caracterizado por los elevados valores de la velocidad de endurecimiento tras el límite elástico. Se ha observado que esta velocidad aumenta con la relación longitud-diámetro de las partículas de refuerzo, lo que parece indicar la existencia de una transferencia de carga más efectiva para esta morfología.
1.1.4.
Resistencia a la tracción:
la resistencia a la tracción de materiales compuestos de matriz metálica reforzados con partículas depende de la relación entre dimensiones, fracción
de volumen y distribución del refuerzo, de la aleación base, los tratamientos térmicos y de la unión refuerzo-matriz.
1.1.5.
Fractura:
los exámenes de fractura de las superficies de MMCs revelan fractura dúctil de la matriz en la interfase fibra-matriz y fractura frágil del refuerzo.
La menor ductilidad se obtiene para aleaciones de gran resistencia (Al-Cu-Mg) reforzadas con elevadas fracciones en volumen de partículas de gran relación longitud/diámetro y alta fuerza de unión interfacial refuerzo-matriz.
La utilización de matrices de menor resistencia (Al-4Cu) y la reducción de la fuerza de unión refuerzo-matriz, resulta en un aumento de la ductilidad.

1
.2 Propiedades mecánicas a temperaturas elevadas.
Los MMCs experimentan un aumento en el módulo y resistencia a elevadas temperaturas, en el caso de la matriz de aluminio, la resistencia del compuesto puede sobrepasar los 200 MPa a temperaturas de 300 °C durante cortos periodos de tiempo.

1.2.1
Fatiga:
la mejora en el comportamiento a la fatiga es una de las características que hacen atractivos los MMCs, uno de los aspectos más determinantes de la respuesta a la fatiga de estos es el tamaño de partícula de refuerzo, aunque su efecto depende del tipo de ensayo en particular.



2. Propiedades térmicas

2.1.
Coeficiente de expansión térmica:
el valor del coeficiente de expansión térmica en MMCs depende de la fracción en volumen de refuerzo, así como de su morfología y distribución en la aleación base y puede verse modificado por el estado de precipitación de la matriz.

2.2.
Conductividad térmica:
la conductividad térmica de la aleación monolítica se reduce con un refuerzo cerámico discontinuo. La importancia de esta reducción depende, principalmente, de la fracción en volumen y distribución del refuerzo.


3. Comportamiento tribológico de los MMCs reforzados con partículas.
El comportamiento tribológico de un material compuesto depende de las propiedades microestructurales del mismo y de la condición de carga y contacto.

3.1.
Fricción y deslizamiento:
el comportamiento de fricción y desgaste de materiales compuestos depende de la naturaleza de las partículas de refuerzo y tiene relación con el contenido en la matriz. El aluminio es más duro que las partículas carbonizadas pero más blandas que el SiC, y los compuestos Al- AI2O3 muestran mayor desgaste que los Al-SiC pero menor desgaste que un compuesto de aluminio y partículas carbonizadas.

3.2.
Fricción y desgaste abrasivo:
la resistencia a la abrasión normalmente se determina por dos ensayos diferentes: a) ensayo de bajas tensiones, con una rueda de goma y b) ensayo con altas tensiones, como son pin-on-disk y pin-on-drum. En materiales compuestos de matriz metálica, como en materiales monolíticos, el desgaste abrasivo comporta la formación de surcos, acanaladuras, estrías y deformación plástica por penetración de las partículas duras.

3.3.
Mecanismos de desgaste abrasivo en compuestos que contienen partículas duras:
el desgaste abrasivo puede clasificarse tomando como base a la naturaleza de la interacción, en desgaste con dos o tres cuerpos. En desgaste abrasivo con dos cuerpos, éste es fuertemente dependiente de la tenacidad a la fractura y no meramente de la resistencia del compuesto, debido a que la propagación de grietas es el factor de control.
En el desgaste abrasivo con tres cuerpos, las partículas abrasivas (como arena silícea) tienden a romper y penetrar en aleaciones de la matriz relativamente blanda.

3.4.
Mecanismos de desgaste abrasivo en compuestos que contienen partículas blandas:
un compuesto típico de este grupo es un MMC/grafito o el MMC/MoS2- La formación de una película lubricante en la tribosuperficie se considera como responsable del bajo coeficiente de fricción y desgaste de estos compuestos. El área recubierta por la película, como está relacionada con la fracción de volumen de partículas blandas, es el factor de control.

Fabricación
Los principales métodos de procesado de materiales
compuestos de matriz metálica son:

- Squeeze casting.
- Reofusión o reocolada.
- Deposición por spray {spray forming).
- Pulvimetalurgia.


Squeeze costing
En este método de fabricación de MMCs, los refuerzos más utilizados son whiskers de SiC y en general fibras cortas. Inicialmente, se fabrica una preforma . Esta preforma se coloca en una matriz. A continuación se adiciona el metal líquido y, seguidamente, por aplicación de presión, éste se infiltra en la preforma. Para obtener un producto de buena calidad es necesario un control cuidadoso de la temperatura
de la preforma, el ciclo de presión, la temperatura del metal líquido y las condiciones desolidificación. Este procedimiento se utiliza para producir piezas como pistones de motores de combustión interna, donde se desea reforzar, solamente, las regiones más solicitadas.
Reofusión o reocolada
Consiste en el conformado de un material en estado parcialmente solidificado. Este presenta dificultades con el carácter dendrítico de la solidificación, que provoca la imposibilidad de verter fácilmente la aleación en un molde cuando la fracción solidificada sea entre 20-30 %, aproximadamente. La introducción de un elevado esfuerzo de cizalla (tipo agitación mecánica) en el metal líquido, durante la solidificación, impide la formación de esta estructura dendrítica, promoviendo la aparición de una estructura esferoidal. El mayor problema en la fabricación de MMCs por medio de reofusión es conseguir un mojado suficiente entre el baño metálico y el refuerzo.
Deposición por spray (spray formingf)
Este proceso está basado en la técnica de producción de polvos vía atomización por gas, que consiste en la atomización de un chorro de metal líquido por la acción de un haz de gas inerte. En este caso, las partículas de metal líquido producidas por atomización, chocan con un substrato intermedio, constituyendo una preforma. La fabricación de MMCs por este método se realiza mediante la introducción de partículas de refuerzo dentro del chorro de atomización para ser codepositadas e incorporadas a la aleación solidificada. La formación de compuestos interfaciales frágiles es mínima.
Pulvimetalurgia (P/M)
El proceso de obtención de MMCs por vía pulvimetalúrgia consiste, básicamente, en la mezclan de polvos metálicos y refuerzos, en estado sólido, seguida de compactación y consolidación. Este proceso presenta la ventaja de requerir menores temperaturas durante la preparación de los compuestos. De esta forma, la interacción entre matriz y refuerzo es menor por lo que se minimizan las reacciones interfaciales indeseables
(Mg+Al203, Al+SiC, T+C, etc.), posibilitando,
de esta forma, una mejora de las propiedades mecánicas.
Conclusión
Los materiales compuestos de matriz de aluminio, industrialmente se encuentran madurando a nivel tecnológico, y con el pasar de los años seguirán presentando un importante crecimiento en su utilización y aplicaciones. La incorporación de aleaciones Al-Li a las Aleaciones endurecibles por precipitación, llama la atención de investigadores, y de la industria aeroespacial, ya que al alearse el litio con el aluminio automáticamente decrece la densidad y aumenta el módulo de elasticidad de la aleación.

Al mismo tiempo los materiales a base de aluminio y reforzados con partículas tienen la característica de poder obtenerse mediante técnicas económicas y variadas, por lo que esta familia de materiales se pueden considerar prometedores.
Bibliografía
Edil da Costa Cesar, Velasco L. Francisco & Torrealba C. José M. (2000). Materiales Compuestos de Matriz Metálicas, I parte: Tipos, Propiedades y aplicaciones. Revista de Metalurgia Madrid, 36, 179-192. Recuperado el 8 de Julio de 2013 de http://revistademetalurgia.revistas.csic.es

Edil da Costa Cesar, Velasco L. Francisco & Torrealba C. José M. (2000). Materiales Compuestos de Matriz Metálicas, II parte: Métodos de procesado y consolidación de MMCs reforzados con partículas. Revista de Metalurgia Madrid, 36, 193-197. Recuperado el 8 de Julio de 2013 de http://revistademetalurgia.revistas.csic.es

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Smith William F. (2004). Ciencia e Ingeniería de Materiales. (3^ra Edición). Madrid, España. Mc Graw Hill.

Stupenengo Franco (2011). Materiales y Materias Primas. Materiales compuestos. Guía Didáctica. Recuperado el 8 de Julio de 2013 de http://www.inet.edu.ar/programas/capacitacion/materiales/guias/materias/10_Materiales_Compuestos.pdf
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