Materials: propietats, estructura, selecció i criteris ambientals
Aquest bloc de la PAU de Tecnologia i Enginyeria II relaciona l'estructura interna dels materials amb propietats mesurables i amb decisions de selecció, sovint lligades a criteris ambientals.
Propietats i assajos
- Assaig de tracció: tensió σ = F/A0 (1 MPa = 1 N/mm²) i deformació ε = ΔL/L0. La corba σ–ε dona el mòdul de Young E (pendent de la zona elàstica), el límit elàstic Re, la resistència a la tracció Rm i l'allargament A (%).
- Ductilitat (A alt) contra fragilitat (A baix). Tenacitat: energia absorbida al trencament, es mesura amb pèndol de Charpy en joules. Duresa: Brinell HB, Vickers HV, Rockwell HRC.
- Altres sol·licitacions: fatiga amb càrregues cícliques, fluència en calent i corrosió.
Estructura i tractaments
- Xarxes cristal·lines BCC, FCC i HCP. El ferro és al·lotròpic: Fe α (BCC) fins a 912 °C i Fe γ (FCC) fins a 1394 °C.
- Acer: Fe + C fins a un 2,1 % aproximat; per sobre, fosa. Microestructures de ferrita, perlita i cementita segons el carboni i el refredament.
- Tractaments tèrmics: recuit (elimina tensions i estova), normalitzat (gra fi), tremp (martensita dura i fràgil) seguit de reveniment per recuperar tenacitat.
Selecció i criteri ambiental
- Índexs de mèrit: rigidesa específica E/ρ i resistència específica Rm/ρ; mapes de propietats per comparar famílies.
- Criteris ambientals: reciclabilitat, energia incorporada, petjada de carboni, toxicitat i fi de vida; anàlisi de cicle de vida (ACV).
Exemple resolt
Barra d'acer amb E = 210 GPa i Re = 275 MPa, L = 2,5 m, secció 200 mm², F = 30 kN.
- σ = 30 000 N / 200 mm² = 150 MPa, inferior a Re: règim elàstic.
- Coeficient de seguretat n = Re/σ = 275/150 = 1,83.
- ε = σ/E = 150/210 000 = 7,14·10⁻⁴ i ΔL = ε·L = 1,8 mm. Raonament: primer es comprova que no se supera Re; només llavors és vàlid aplicar la llei de Hooke.
Errors que costen punts
- Barrejar unitats (Pa amb MPa, mm² amb m²).
- Aplicar E quan la tensió ja supera el límit elàstic.
- Confondre Re amb Rm i comparar dureses d'escales diferents com si fossin la mateixa magnitud.
- Seleccionar un material sense justificar ni el criteri mecànic ni l'ambiental.