Acerca del carburo de boro
El carburo de boro (fórmula química aproximadamente B4C) es un material cerámico y covalente de boro-carbono extremadamente duro. Es uno de los materiales más duros conocidos, ocupando el tercer lugar detrás del diamante y el nitruro de boro cúbico. Es el material más duro producido en cantidades de tonelaje.
Resumen
| Nombre | Carburo de boro |
| Fase en STP | sólido |
| Densidad | 2520 kg / m3 |
| Resistencia a la tracción | 500 MPa |
| Límite de elastacidad | N / A |
| Módulo de Young | 460 GPa |
| Dureza Brinell | 40000 BHN |
| Punto de fusion | 2427 ° C |
| Conductividad térmica | 30 W / mK |
| Capacidad calorífica | 1000 J / g K |
| Precio | 160 $ / kg |
Densidad del carburo de boro
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 carburo de boro es de 2520 kg / m 3 .
Ejemplo: densidad
Calcula la altura de un cubo hecho de carburo de boro, 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 = 0,735 m .
Densidad de materiales
Propiedades mecánicas del carburo de boro
Resistencia del carburo de boro
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
Resistencia máxima a la tracción del carburo de boro
La resistencia máxima a la tracción del carburo de boro es de 500 MPa.
Límite de elastacidad del carburo de boro
El límite elástico del carburo de boro es N / A.
Módulo de Young del carburo de boro
El módulo de Young del carburo de boro es de 460 MPa.
Dureza del carburo de boro
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 carburo de boro es de aproximadamente 40000 BHN (convertido).
Ver también: dureza de materiales
Ejemplo: resistencia
Suponga una varilla de plástico, que está hecha de carburo de boro. 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 = 500 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 = 500 x 10 6 x 0,0001 = 50000 N
Resistencia de materiales
Elasticidad de materiales
Dureza de los materiales
Propiedades térmicas del carburo de boro
Carburo de boro – Punto de fusión
Punto de carburo de boro de fusión es de 2427 ° 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.
Carburo de boro – Conductividad térmica
La conductividad térmica del carburo de boro es 30 W / (m · K) .
The heat transfer characteristics of a solid material are measured by a property called the thermal conductivity, k (or λ), measured in W/m.K. It is a measure of a substance’s ability to transfer heat through a material by conduction. Note that Fourier’s law applies for all matter, regardless of its state (solid, liquid, or gas), therefore, it is also defined for liquids and gases.
The thermal conductivity of most liquids and solids varies with temperature. For vapors, it also depends upon pressure. In 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.
Carburo de boro – Calor específico
El calor específico de carburo de boro es 1000 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:
where the subscripts v and p denote the variables held fixed during differentiation. The properties cv and cp are referred to as specific heats (or heat capacities) because under certain special conditions they relate the temperature change of a system to the amount of energy added by heat transfer. Their SI units are J/kg K or J/mol K.
Example: Heat transfer calculation
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 Carburo de Boro con una conductividad térmica de k 1 = 30 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 / 30 + 1/30) = 7,23 W / m 2 K
El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,23 [W / m 2 K] x 30 [K] = 216,87 W / m 2
La pérdida total de calor a través de esta pared será: q pérdida = q. A = 216,87 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 6506,02 W
Punto de fusión de materiales
Conductividad térmica de materiales
Capacidad calorífica de materiales
