Nick Connor

Acerca del aerogel

El aerogel es un material sólido ultraligero poroso sintético derivado de un gel, en el que el componente líquido del gel se ha reemplazado por un gas (durante un proceso de secado supercrítico). Los aerogeles se pueden fabricar a partir de una variedad de compuestos químicos, pero el material base del aerogel suele ser silicio. 

Resumen

Nombre	Aerogel
Fase en STP	sólido
Densidad	10 kg / m3
Resistencia a la tracción	0,08 MPa
Límite de elastacidad	N / A
Módulo de Young	0,005 GPa
Dureza Brinell	N / A
Punto de fusion	1197 ° C
Conductividad térmica	0,01 W / mK
Capacidad calorífica	1900 J / g K
Precio	12 $ / kg

Densidad del aerogel

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad del aerogel es de 10 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de aerogel, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 4,642 m .

Propiedades mecánicas del aerogel

Resistencia del aerogel

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. Al diseñar estructuras y máquinas, es importante considerar estos factores, a fin de que el material seleccionado tenga la resistencia adecuada para resistir las cargas o fuerzas aplicadas y conservar su forma original.

La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. Para la tensión de tracción, la capacidad de un material o estructura para soportar cargas que tienden a alargarse se conoce como resistencia máxima a la tracción (UTS). El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la  ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción.

Ver también: Resistencia de los materiales

Máxima resistencia a la tracción del aerogel

La resistencia máxima a la tracción del aerogel es de 0,08 MPa.

Límite de elastacidad del aerogel

El límite elástico del aerogel  es N / A.

Módulo de Young del aerogel

El módulo de Young del aerogel es 0,005 GPa.

Dureza del aerogel

En la ciencia de los materiales, la  dureza  es la capacidad de resistir  la hendidura de la superficie  ( deformación plástica localizada ) y el  rayado . La prueba de dureza Brinell  es una de las pruebas de dureza por indentación, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. En las pruebas Brinell, se fuerza un penetrador esférico duro  bajo una carga específica en la superficie del metal que se va a probar.

El  número de dureza Brinell  (HB) es la carga dividida por el área de la superficie de la muesca. El diámetro de la impresión se mide con un microscopio con una escala superpuesta. El número de dureza Brinell se calcula a partir de la ecuación:

La dureza Brinell del aerogel es aproximadamente N / A.

Ver también: dureza de materiales

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de aerogel. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia a la tracción máxima de este material, que es: UTS = 0,08 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 0,08 x 10 ⁶ x 0,0001 = 0,08 N

Propiedades térmicas del aerogel

Aerogel – Punto de fusión

Punto de Aerogel de fusión es de 1197 ° C .

Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar. En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Para varios compuestos químicos y aleaciones, es difícil definir el punto de fusión, ya que generalmente son una mezcla de varios elementos químicos.

Aerogel – Conductividad térmica

La conductividad térmica del aerogel es 0,01 W / (m · K) .

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción . Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Aerogel – Calor específico

Calor específico del aerogel es 1900  J / g K .

El calor específico, o capacidad calorífica específica,  es una propiedad relacionada con la energía interna  que es muy importante en termodinámica. Las  propiedades intensivas  c _v  y  c _p  se definen para sustancias compresibles simples puras como derivadas parciales de la  energía interna  u (T, v)  y la  entalpía  h (T, p) , respectivamente: 

donde los subíndices  v  y  p  denotan las variables que se mantienen fijas durante la diferenciación. Las propiedades  c _v  y  c _p  se denominan  calores específicos  (o  capacidades caloríficas ) porque, en determinadas condiciones especiales, relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía añadida por la transferencia de calor. Sus unidades SI son  J / kg K  o  J / mol K .

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de Aerogel con la conductividad térmica  de k ₁ = 0.01 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h ₁  = 10 W / m ² K y h ₂  = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

El coeficiente de transferencia de calor total  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 0,01 + 1/30) = 0,066 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 0,066 [W / m ² K] x 30 [K] = 1,98 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta pared será: q _pérdida  = q. A = 1,98 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 59,47 W

Acerca de la aleación de circonio y estaño

Las aleaciones de circonio, en las que el estaño es el elemento de aleación básico, mejora sus propiedades mecánicas, tienen una amplia distribución en los EE. UU. Un subgrupo común tiene la marca comercial Zircaloy. En el caso de las aleaciones de circonio-estaño, se produce la disminución de la resistencia a la corrosión en el agua y el vapor, lo que resulta en la necesidad de una aleación adicional.

Las aleaciones de circonio con niobio se utilizan como revestimientos de elementos combustibles de reactores VVER y RBMK. Estas aleaciones son el material base del canal de montaje del reactor RBMK. La aleación Zr + 1% Nb de tipo N-1 E-110 se utiliza para revestimientos de elementos combustibles, la aleación Zr + 2,5% Nb de tipo E-125 se aplica para tubos de canales de montaje.

Resumen

Nombre	Aleación de circonio y estaño
Fase en STP	sólido
Densidad	6560 kg / m3
Resistencia a la tracción	514 MPa
Límite de elastacidad	381 MPa
Módulo de Young	99 GPa
Dureza Brinell	89 BHN
Punto de fusion	1850 ° C
Conductividad térmica	18 W / mK
Capacidad calorífica	285 J / g K
Precio	25 $ / kg

Densidad de la aleación de circonio y estaño

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad de la aleación de circonio y estaño es de 6560 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de aleación de circonio y estaño, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,534 m .

Propiedades mecánicas de la aleación de circonio y estaño

Resistencia de la aleación de circonio y estaño

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La resistencia máxima a la tracción de la aleación de circonio y estaño  es de aproximadamente 514 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación . Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elastacidad

El límite elástico de la aleación de circonio y estaño  es de aproximadamente 381 MPa.

El  punto de fluencia  es el punto en una  curva de tensión-deformación  que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Fuerza de producción o el límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young de la aleación de circonio y estaño  es de aproximadamente 99 GPa.

El módulo de elasticidad de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke , la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young.. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza de la aleación de circonio y estaño

La dureza Rockwell de la aleación de circonio y estaño es de aproximadamente 89 HRB.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell . Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC , etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale ( cono de diamante de 120 ° ) y una carga mayor de 150 kg.

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de aleación de circonio y estaño. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia máxima a la tracción de este material, que es: UTS = 514 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 514 x 10 ⁶ x 0,0001 = 51400 N

Propiedades térmicas de la aleación de circonio y estaño

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  temperatura y a la aplicación de calor . A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente .

La capacidad calorífica , la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión de la aleación de circonio y estaño

El punto de fusión de la aleación de circonio y estaño  es de alrededor de 1850 ° C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica de la aleación de circonio y estaño

Las aleaciones de circonio tienen una conductividad térmica más baja (aproximadamente 18 W / mK) que el metal de circonio puro (aproximadamente 22 W / mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción . Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de Aleación de Zirconio-Estaño con una conductividad térmica  de k ₁ = 18 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h ₁  = 10 W / m ² K y h ₂  = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

El coeficiente de transferencia de calor total  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 18 + 1/30) = 7,06 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,06 [W / m ² K] x 30 [K] = 211,77 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta pared será: q _pérdida  = q. A = 211,77 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 6352,94 W

Acerca de la aleación de circonio-niobio

Las aleaciones de circonio con niobio se utilizan como revestimientos de elementos combustibles de reactores VVER y RBMK. Estas aleaciones son el material base del canal de montaje del reactor RBMK. La aleación Zr + 1% Nb de tipo N-1 E-110 se utiliza para revestimientos de elementos combustibles, la aleación Zr + 2,5% Nb de tipo E-125 se aplica para tubos de canales de montaje.

El material de revestimiento para los nuevos diseños de combustible 17×17 se basa también en las aleaciones de circonio-niobio (p. Ej., Material Optimized ZIRLO), que ha demostrado tener una resistencia a la corrosión mejorada en comparación con los materiales de revestimiento de combustible anteriores. El nivel de estaño optimizado proporciona una tasa de corrosión reducida al tiempo que mantiene los beneficios de la fuerza mecánica y la resistencia a la corrosión acelerada por condiciones químicas anormales.

Resumen

Nombre	Aleación de circonio-niobio
Fase en STP	sólido
Densidad	6560 kg / m3
Resistencia a la tracción	514 MPa
Límite de elastacidad	381 MPa
Módulo de Young	99 GPa
Dureza Brinell	89 BHN
Punto de fusion	1850 ° C
Conductividad térmica	18 W / mK
Capacidad calorífica	285 J / g K
Precio	25 $ / kg

Densidad de la aleación de circonio-niobio

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad de la aleación de circonio-niobio es de 6560 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de aleación de circonio-niobio, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,534 m .

Propiedades mecánicas de la aleación de circonio-niobio

Resistencia de la aleación de circonio-niobio

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La resistencia máxima a la tracción de la aleación de circonio-niobio es de aproximadamente 514 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación . Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elastacidad

El límite elástico de la aleación de circonio-niobio es de aproximadamente 381 MPa.

El  punto de fluencia  es el punto en una  curva de tensión-deformación  que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Fuerza de producción o el límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young de la aleación de circonio-niobio es de aproximadamente 99 GPa.

El módulo de elasticidad de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke , la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young.. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza de la aleación de circonio-niobio

La dureza Rockwell de la aleación de circonio-niobio es de aproximadamente 89 HRB.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell . Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC , etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale ( cono de diamante de 120 ° ) y una carga mayor de 150 kg.

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de aleación de circonio-niobio. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia máxima a la tracción de este material, que es: UTS = 514 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 514 x 10 ⁶ x 0,0001 = 51400 N

Propiedades térmicas de la aleación de circonio-niobio

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  temperatura y a la aplicación de calor . A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente .

La capacidad calorífica , la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión de la aleación de circonio-niobio

El punto de fusión de la aleación de circonio-niobio es de alrededor de 1850 ° C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica de la aleación de circonio-niobio

Las aleaciones de circonio tienen una conductividad térmica más baja (aproximadamente 18 W / mK) que el metal de circonio puro (aproximadamente 22 W / mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción . Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de Aleación de Circonio-Niobio con una conductividad térmica  de k ₁ = 18 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h ₁  = 10 W / m ² K y h ₂  = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

El coeficiente de transferencia de calor total  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 18 + 1/30) = 7,06 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,06 [W / m ² K] x 30 [K] = 211,77 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta pared será: q _pérdida  = q. A = 211,77 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 6352,94 W

Acerca de la aleación de tungsteno-renio

El tungsteno y el renio son ambos metales refractarios. Estos metales son bien conocidos por su extraordinaria resistencia al calor y al desgaste. El requisito clave para soportar altas temperaturas es un alto punto de fusión y propiedades mecánicas estables (por ejemplo, alta dureza) incluso a altas temperaturas. Estos metales generalmente se combinan para obtener las propiedades de fabricación, térmicas y mecánicas deseadas. Los métodos de pulvimetalurgia se pueden utilizar para consolidar aleaciones de tungsteno-renio. Hasta un 22% de renio se alea con tungsteno para mejorar su resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión. La dureza de la aleación W-30Re recién fundida es de alrededor de 500 BHN. Esta dureza depende en gran medida del contenido de renio. 

Densidad de la aleación de tungsteno-renio

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad de la aleación de tungsteno-renio es de 19700 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de aleación de tungsteno-renio, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,37 m .

Propiedades mecánicas de la aleación de tungsteno-renio

Resistencia de la aleación de tungsteno-renio

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. Al diseñar estructuras y máquinas, es importante considerar estos factores, a fin de que el material seleccionado tenga la resistencia adecuada para resistir las cargas o fuerzas aplicadas y conservar su forma original.

La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. Para la tensión de tracción, la capacidad de un material o estructura para soportar cargas que tienden a alargarse se conoce como resistencia máxima a la tracción (UTS). El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la  ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción.

Ver también: Resistencia de los materiales

Máxima resistencia a la tracción de la aleación de tungsteno-renio

La resistencia máxima a la tracción de la aleación de tungsteno-renio es de 2100 MPa.

Límite de elastacidad de la aleación de tungsteno-renio

El límite elástico de la aleación de tungsteno-renio  es N / A.

Módulo de Young de la aleación de tungsteno-renio

El módulo de Young de la aleación de tungsteno-renio es 400 GPa.

Dureza de la aleación de tungsteno-renio

En la ciencia de los materiales, la  dureza  es la capacidad de resistir  la hendidura de la superficie  ( deformación plástica localizada ) y el  rayado . La prueba de dureza Brinell  es una de las pruebas de dureza por indentación, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. En las pruebas Brinell, se fuerza un penetrador esférico duro  bajo una carga específica en la superficie del metal que se va a probar.

El  número de dureza Brinell  (HB) es la carga dividida por el área de la superficie de la muesca. El diámetro de la impresión se mide con un microscopio con una escala superpuesta. El número de dureza Brinell se calcula a partir de la ecuación:

La dureza Brinell de la aleación de tungsteno-renio es de aproximadamente 500 BHN (convertida).

Ver también: dureza de materiales

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de aleación de tungsteno-renio. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción de este material, que es: UTS = 2100 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 2100 x 10 ⁶ x 0,0001 = 210 000 N

Propiedades térmicas de la aleación de tungsteno-renio

Aleación de tungsteno-renio – Punto de fusión

Punto de tungsteno-renio aleación de fusión es de 3027 ° C .

Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar. En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Para varios compuestos químicos y aleaciones, es difícil definir el punto de fusión, ya que generalmente son una mezcla de varios elementos químicos.

Aleación de tungsteno-renio – Conductividad térmica

La conductividad térmica de la aleación de tungsteno-renio es de 70 W / (m · K) .

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción . Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Aleación de tungsteno-renio – Calor específico

El calor específico de tungsteno-renio de la aleación es 140  J / g K .

El calor específico, o capacidad calorífica específica,  es una propiedad relacionada con la energía interna  que es muy importante en termodinámica. Las  propiedades intensivas  c _v  y  c _p  se definen para sustancias compresibles simples puras como derivadas parciales de la  energía interna  u (T, v)  y la  entalpía  h (T, p) , respectivamente: 

donde los subíndices  v  y  p  denotan las variables que se mantienen fijas durante la diferenciación. Las propiedades  c _v  y  c _p  se denominan  calores específicos  (o  capacidades caloríficas ) porque, en determinadas condiciones especiales, relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía añadida por la transferencia de calor. Sus unidades SI son  J / kg K  o  J / mol K .

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de aleación de tungsteno-renio con una conductividad térmica  de k ₁ = 70 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h ₁  = 10 W / m ² K y h ₂  = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 70 + 1/30) = 7,38 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,38 [W / m ² K] x 30 [K] = 221,44 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta pared será: q _pérdida  = q. A = 221,44 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 6643,23 W

 

Acerca del bronce de aluminio

Los bronces de aluminio son una familia de aleaciones a base de cobre que ofrecen una combinación de propiedades mecánicas y químicas incomparables con cualquier otra serie de aleaciones. Contienen entre un 5 y un 12% de aluminio. Además, los bronces de aluminio también contienen níquel, silicio, manganeso y hierro. Tienen una resistencia excelente, similar a la de los aceros de baja aleación, y una excelente resistencia a la corrosión, especialmente en agua de mar y entornos similares, donde las aleaciones a menudo superan a muchos aceros inoxidables. Su excelente resistencia a la corrosión se debe al aluminio de las aleaciones, que reacciona con el oxígeno atmosférico para formar una capa superficial delgada y resistente de alúmina (óxido de aluminio) que actúa como barrera a la corrosión de la aleación rica en cobre. Se encuentran en forma forjada y fundida. Los bronces de aluminio suelen ser de color dorado.

Resumen

Nombre	Bronce de aluminio
Fase en STP	sólido
Densidad	7640 kg / m3
Resistencia a la tracción	550 MPa
Límite de elastacidad	250 MPa
Módulo de Young	110 GPa
Dureza Brinell	170 BHN
Punto de fusion	1030 ° C
Conductividad térmica	59 W / mK
Capacidad calorífica	380 J / g K
Precio	9 $ / kg

Densidad del bronce de aluminio

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad del bronce de aluminio es 7640 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de bronce de aluminio, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,508 m .

Propiedades mecánicas del bronce de aluminio

Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.

Resistencia del bronce de aluminio

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La máxima resistencia a la tracción del bronce de aluminio: UNS C95400 es de aproximadamente 550 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación . Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elastacidad

El límite elástico del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 250 MPa.

El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Fuerza de produccióno el límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 110 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke , la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young.. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza del bronce de aluminio

La dureza Brinell del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 170 MPa. La dureza de los bronces de aluminio aumenta con el contenido de aluminio (y otras aleaciones), así como con las tensiones causadas por el trabajo en frío.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell . Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC , etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale ( cono de diamante de 120 ° ) y una carga mayor de 150 kg.

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de bronce de aluminio. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia máxima a la tracción de este material, que es: UTS = 550 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 550 x 10 ⁶ x 0,0001 = 55 000 N

Propiedades térmicas del bronce de aluminio

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  temperatura y a la aplicación de calor . A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente .

La capacidad calorífica , la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión del bronce de aluminio

El punto de fusión del bronce de aluminio – UNS C95400 es de alrededor de 1030 ° C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica del bronce de aluminio

La conductividad térmica del bronce de aluminio – UNS C95400 es 59 W / (mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción . Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de Bronce de Aluminio con una conductividad térmica  de k ₁ = 59 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h ₁  = 10 W / m ² K y h ₂  = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

El coeficiente de transferencia de calor total  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 59 + 1/30) = 7,36 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,36 [W / m ² K] x 30 [K] = 220,79 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta pared será: q _pérdida  = q. A = 220,79 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 6623,701 W

Acerca del acero inoxidable austenítico – Tipo 304

El acero inoxidable tipo 304 (que contiene 18% -20% de cromo y 8% -10,5% de níquel) es el acero inoxidable más común. También se le conoce como acero inoxidable » 18/8 » por su composición, que incluye 18% de cromo y 8% de níquel. Esta aleación resiste la mayoría de los tipos de corrosión. Es un acero inoxidable austenítico y también tiene excelentes propiedades criogénicas, buena resistencia a altas temperaturas y buenas propiedades de formación y soldadura. Es menos conductor eléctrico y térmico que el acero al carbono y es esencialmente no magnético.

El acero inoxidable tipo 304L , que se usa ampliamente en la industria nuclear, es una versión con muy bajo contenido de carbono de la aleación de acero 304. Este grado tiene propiedades mecánicas ligeramente más bajas que el grado estándar 304, pero todavía se usa ampliamente gracias a su versatilidad. El contenido de carbono más bajo en 304L minimiza la precipitación de carburo nociva o dañina como resultado de la soldadura. Por lo tanto, el 304L se puede utilizar «como soldado» en entornos de corrosión severa y elimina la necesidad de recocido. El grado 304 también tiene una buena resistencia a la oxidación en servicio intermitente hasta 870 ° C y en servicio continuo hasta 925 ° C.

El cuerpo de la vasija del reactor está construido de acero al carbono de baja aleación de alta calidad y todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor están revestidas con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de acero inoxidable austenítico para minimizar la corrosión. Dado que el grado 304L no requiere recocido posterior a la soldadura, se usa ampliamente en componentes de gran calibre.

Resumen

Nombre	Acero inoxidable austenitico
Fase en STP	sólido
Densidad	7850 kg / m3
Resistencia a la tracción	515 MPa
Límite de elastacidad	205 MPa
Módulo de Young	193 GPa
Dureza Brinell	201 BHN
Punto de fusion	1450 ° C
Conductividad térmica	20 W / mK
Capacidad calorífica	500 J / g K
Precio	2 $ / kg

Densidad del acero inoxidable austenítico

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad del acero inoxidable austenítico es de 7850 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de acero inoxidable austenítico, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen: 

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,503 m .

Propiedades mecánicas del acero inoxidable austenítico

Resistencia del acero inoxidable austenítico

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. Al diseñar estructuras y máquinas, es importante considerar estos factores, a fin de que el material seleccionado tenga la resistencia adecuada para resistir las cargas o fuerzas aplicadas y conservar su forma original.

La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. Para la tensión de tracción, la capacidad de un material o estructura para soportar cargas que tienden a alargarse se conoce como resistencia máxima a la tracción (UTS). El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la  ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción.

Ver también: Resistencia de los materiales

Máxima resistencia a la tracción del acero inoxidable austenítico

La resistencia máxima a la tracción del acero inoxidable austenítico es de 280 MPa.

Límite de elastacidad del acero inoxidable austenítico

El límite elástico del acero inoxidable austenítico  es de 145 MPa.

Módulo de Young del acero inoxidable austenítico

El módulo de Young del acero inoxidable austenítico es de 45 GPa.

Dureza del acero inoxidable austenítico

En la ciencia de los materiales, la  dureza  es la capacidad de resistir  la hendidura de la superficie  ( deformación plástica localizada ) y el  rayado . La prueba de dureza Brinell  es una de las pruebas de dureza por indentación, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. En las pruebas Brinell, se fuerza un penetrador esférico duro  bajo una carga específica en la superficie del metal que se va a probar.

El  número de dureza Brinell  (HB) es la carga dividida por el área de la superficie de la muesca. El diámetro de la impresión se mide con un microscopio con una escala superpuesta. El número de dureza Brinell se calcula a partir de la ecuación:

La dureza Brinell del acero inoxidable austenítico es de aproximadamente 70 BHN (convertido).

Ver también: dureza de materiales

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de acero inoxidable austenítico. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia máxima a la tracción de este material, que es: UTS = 280 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 280 x 10 ⁶ x 0,0001 = 28 000 N

Propiedades térmicas del acero inoxidable austenítico

Acero inoxidable austenítico – Punto de fusión

Punto de fusión del acero inoxidable austenítico es 550-640 ° C .

Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar. En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Para varios compuestos químicos y aleaciones, es difícil definir el punto de fusión, ya que generalmente son una mezcla de varios elementos químicos.

Acero inoxidable austenítico – Conductividad térmica

La conductividad térmica del acero inoxidable austenítico es de 116 W / (m · K) .

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción . Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Acero inoxidable austenítico – Calor específico

El calor específico de acero inoxidable austenítico es 900  J / g K .

El calor específico, o capacidad calorífica específica,  es una propiedad relacionada con la energía interna  que es muy importante en termodinámica. Las  propiedades intensivas  c _v  y  c _p  se definen para sustancias compresibles simples puras como derivadas parciales de la  energía interna  u (T, v)  y la  entalpía  h (T, p) , respectivamente: 

donde los subíndices  v  y  p  denotan las variables que se mantienen fijas durante la diferenciación. Las propiedades  c _v  y  c _p  se denominan  calores específicos  (o  capacidades caloríficas ) porque, en determinadas condiciones especiales, relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía añadida por la transferencia de calor. Sus unidades SI son  J / kg K  o  J / mol K .

En física nuclear y química nuclear, las diversas especies de átomos cuyos núcleos contienen números particulares de protones y neutrones se denominan nucleidos. Los nucleidos también se caracterizan por sus estados de energía nuclear (por ejemplo, nucleidos metaestables de 242 mAm). Cada nucleido se denota por el símbolo químico del elemento (esto especifica Z) con el número de masa atómica como superíndice. El hidrógeno (H), por ejemplo, consiste en un electrón y un protón. El número de neutrones en un núcleo se conoce como el número de neutrones y se le da el símbolo N. El número total de nucleones, es decir, protones y neutrones en un núcleo, es igual a Z + N = A, donde A se llama número de masa atómica

Los isómeros son nucleidos con igual número de protones e igual número de masa (haciéndolos, por definición, el mismo isótopo), pero diferentes estados de energía. Por lo general, indicamos isómeros con un superíndice m, por lo tanto: 241 mAm o 110 mAg.

Los isómeros generalmente se asocian con la desintegración gamma. Los rayos gamma son emitidos por núcleos inestables en su transición de un estado de alta energía a un estado más bajo. Esta transición se conoce como la transición isomérica. La emisión de un rayo gamma desde un estado nuclear excitado permite que el núcleo pierda energía y alcance un estado de energía más bajo, a veces su estado fundamental. En ciertos casos, el estado nuclear excitado después de una reacción nuclear u otro tipo de desintegración radiactiva puede convertirse en un estado excitado nuclear metaestable. Algunos núcleos pueden permanecer en estado metaestable durante mucho tiempo (horas, días y, a veces, mucho más tiempo). Los núcleos excitados de larga vida se conocen como estados isoméricos (o isómeros) minutos, horas, días u ocasionalmente mucho más tiempo, antes de sufrir una desintegración gamma, en la que emiten un rayo gamma. Los núcleos extremadamente inestables que se descomponen tan pronto como se forman en reacciones nucleares (vida media inferior a 10-11s) generalmente no se clasifican como isómeros nucleares.