5. 5
6 december 2019 Metamaterials Johannes T. B. Overvelde Universitat d’Eindhoven
Exploring multistability in prismatic metamaterials through local actuation
Història
Article sencer: https://www.nature.com/articles/s41467-019-13319-7
Nou material que canvia de tamany, volum i forma inspirat en l’origami pot canviar la forma de
construir en el futur.
6. 6
Ciència de materials
Estudi de la relació entre
estructura i propietats
Disseny de
nous materials
Estructura
Materials Propietats
Investigació
Aplicacions
Enginyeria
de materials
A partir de:
• Estructura
• Propietats
• Processament
Propietats
7. 7
Estructura
1. La distribució dels electrons per òrbites i capes determina el
comportament i tipus d’enllaç dels elements.
2. Cada electró pot canviar de capa guanyant o perdent energia.
3. Els àtoms tendeixen a tenir els electrons en capes baixes i omplint la
capa exterior (capa de valència) amb 8 electrons.
4. Per aconseguir-ho, guanyen, perden o comparteixen electrons...
https://www.lifeder.com/orbitales-atomicos/
8. 8
Estructura
Metall + No metall
...guanyen, perden o comparteixen electrons.
No metall + No metall Metall + Metall
enllaç IÒNIC
Transferència d’e-
Durs, fràgils i aïllants
enllaç COVALENT
Compartició d’e-
Propietats diverses
enllaç METÀL·LIC
Estructura rígida d’ions.
Núvol d’e-
Conductors elèctrics i tèrmics
11. 11
Estat sòlid
Dislocació de la xarxa cristal·lina
Enduriment de metalls:
Disminució de la mida del gra.
Formació de solucions sòlides.
Deformació en fred.
12. 12
Dislocació de la xarxa cristal·lina
Enduriment de metalls:
Disminució de la mida del gra.
Formació de solucions sòlides.
Deformació en fred.
13. 13
Propietats
MECÀNIQUES
Mòdul d’elasticitat
Límit elàstic
Resistència
Fatiga
Duresa
Tenacitat
QUÍMIQUES
Resistència a la corrosió
Resistència a l’oxidació
Reactivitat
FÍSIQUES
Densitat
Propietats elèctriques
Propietats tèrmiques
Propietats magnètiques
Propietats òptiques
ECONÒMIQUES
Preu
Disponibilitat
...
de FABRICACIÓ
Mal·leabilitat
Ductilitat
Forjabilitat
Maquinabilitat
...
ESTÈTIQUES
Aspecte
Color
Olor
Textura
...
Propietatsintrínseques
Propietatsextrínseques
DISSENY
Materials
14. 14
Propietats Mecàniques
MECÀNIQUES
Mòdul d’elasticitat
Límit elàstic
Resistència
Fatiga
Duresa
Tenacitat
→ Estudiades sobre sòlids.
→ Les ACCIONS generen ESFORÇOS a causa de les forces de cohesió.
→ Mesurades mitjançant Assaig.
→ Estudiades a Resistència de Materials
Resistència Mecànica: Capacitat d’un material per suportar esforços sense deformar-se o trencar-se.
15. 15
Propietats Mecàniques: Esforços Axials
→ Mòdul d’elasticitat
→ Coeficient de Poisson
→ Resistència: Secció gran
→ Esveltesa vinclament
COMPRESIÓ TRACCIÓ
𝜎 =
𝐹
𝐴
𝛔 , tensió axial [Pa]
F, força [N]
A, àrea [m2]
→ Mòdul d’elasticitat
→ Coeficient de Poisson
→ Resistència: Secció gran
16. 16
→ Combinació de tracció i
compressió.
→ Línia neutra.
→ Resistència: Cantell gran i
llum petita.
FLEXIÓ
TALLANT
𝝉, tensió normal [Pa]
F, força [N]
A, àrea [m2]
→ Poca deformació prèvia.
→ Resistència: Secció gran.
𝜏 =
𝐹
𝐴
Propietats Mecàniques: Esforços Normals
18. Models de deformació:
• Elàstica (temporal)
• Plàstica (permanent)
Models de deformació i comportament mecànic
Comportament mecànic:
• Dúctil (molta deformació abans de trencar-se)
• Fràgil (poca o cap deformació abans de trencar-se)
L’estructura interna del material...
...determina les propietats...
...que es mesuren amb assajos...
• Destructius
• No destructius
20. 20
Assaig de tracció
OB Zona elàstica
BE Zona plàstica
BC Fluència
CD Enduriment
DE Estricció
𝜀 =
∆𝐿
𝐿0
𝜎 𝑡𝑟𝑒𝑏𝑎𝑙𝑙 =
𝜎𝑒
𝑛
E, Mòdul d’elasticitat
ε, Deformació unitària
σ, Tensió unitària
ε =
𝜎 𝑝
𝐸
σ =
𝐹
𝑆
Resultat de l’assaig, expressa les característiques mecàniques del materialDiagrama de tracció
Límit elàstic teòric / pràctic
Coeficient de seguretat
Tensió de trencament
Tensió de treball
Tenacitat
22. Assaig de tenacitat
Tenacitat: Resistència al xoc.
Resiliència: Energia necessària per
trencar un material d’un sol cop.
KCV =
𝐸 𝑐
𝐴
KCV o KCU, resiliència [J/ mm2]
Ec, energia consumida [J]
A, secció de trencament [mm2]
Pèndol de Charpy
Assaig de tenacitat
Maça
22 kg
Enclusa
Escala
Proveta h1
h2
23. Assaig de fatiga
Sèries d’esforços alternatius en sentits oposats: Fatiga
2 tipus de comportament.
Límit de fatiga (asímptota).
Càlcul:
a) n cicles esforç màxim (resistència a la fatiga)
b) esforç màxim n cicles (vida a la fatiga)
Diagrama de Wohler
Assaig de fatiga per flexió rotativa
25. Assajos no destructius
Magnètics
Basats en la permeabilitat magnètica
Materials ferromagnètics
Components:
Arc generador de pulsos
Revelador fluorescent
UltrasonsRaigs X i gamma
Basats en el pas de la radiació
Materials no ferromagnètics
Components:
Emissor de radiacions
Placa fotogràfica
Emissió d’ultrasons (f>20,000 Hz)
i mesura del temps de retorn.
Components:
Emissor d’ultrasons
Receptor. Lector del temps
d’eco.
26. 26
Propietats tèrmiques
Conductivitat DilatacióPotència tèrmica
Q = λ
𝐴·𝑡·∆𝑇
𝐿
Q, calor transmès [J]
λ, conductivitat tèrmica [W · m-1 · ºC-1]
A, secció de contacte [mm2]
t, temps [s]
ΔT, salt tèrmic [ºC]
L, llargada [m]
Pt =
𝑄
𝑡
Pt, potència tèrmica [W]
Q, calor transmès [J]
t, temps [s]
Lf = L0+α· L0(Tf- T0)
L0, longitud inicial [m]
Lf, longitud final [m]
T0, temperatura inicial [ºC]
Tf, temperatura final [ºC]
α, coeficient de dilatació lineal [ºC-1]