Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests

I 0 flashcards i 37 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS TECNOLOGIA INDUSTRIAL Selectivitat (PAU Catalunya) AprenAI 2026-2027 Tot el temari de Tecnologia Industrial de la PAU en 24 temes: materials, mecanismes, termodinàmica, electricitat i lògica, amb esquemes, tests i formulari.

APREN.AI Índex Tema 1: Materials i fabricació 1 Propietats dels materials i esforços simples 8 Naturalesa dels esforços mecànics simples 8 Tipus d'esforços i formulació bàsica 9 Comportament mecànic dels materials 10 Propietats tèrmiques dels materials 11 Propietats elèctriques, magnètiques, òptiques i químiques 12 2 Estructura interna dels materials 15 Tipus d'enllaç i propietats que en deriven 15 Materials cristal·lins i amorfs 16 Defectes cristal·lins i deformació plàstica 16 Aliatges i solucions sòlides 17 3 Assajos mecànics de tracció, duresa i fatiga 19 Classificació general dels assajos mecànics 19 Assaig de tracció 19 Assaig de duresa Brinell 22 Assaig d'impacte: Pèndol de Charpy i càlcul de la resiliència 23 Assaig de fatiga: càrregues dinàmiques i corba de Wöhler 25 4 Classificació, especificació, selecció i ús sostenible dels materials 29 Grans famílies de materials tècnics 29 Propietats característiques comparades 31 Criteris de selecció 32 Especificació de materials i productes 32 Ús racional i sostenibilitat 32 5 Processos de transformació i fabricació 34 Conformat per moldeig 35 Conformat per deformació 36 Conformat per arrencament de material 36 Processos d'unió 36 Sinteritzat i fabricació additiva 37 Tractaments tèrmics bàsics 37 Tema 2: Sistemes mecànics 6 Estàtica del sòlid rígid i estructures 41 Fonaments de la mecànica i definició d'estàtica 41 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 1 Moment d'una força i parell de forces 42 Condicions d'equilibri estàtic en el pla 43 Tipus de suports i reaccions vinculars 43 El Diagrama de Cos Lliure (DCL) 44 Procediment sistemàtic per a la resolució d'estructures 46 7 Dinàmica de rotació i màquines simples 49 Dinàmica de rotació: de l'estàtica al moviment angular 50 Cinemàtica i llei fonamental de la rotació 50 Comportament dinàmic de volants d'inèrcia i frenada d'eixos 52 Màquines simples: el principi de conservació mecànica 52 Palanques: equilibri estàtic i classificació en tres gèneres 53 Politges i polispasts: configuracions i balanç mecànic 56 8 Resistències passives i barres biarticulades 59 Fregament per lliscament 59 Resistència al rodament 60 Treball i potència dissipats 60 Pla inclinat i vehicles en pendent 60 Barres biarticulades 61 9 Mecanismes de transmissió i reductors de velocitat 63 Fonaments de la transmissió mecànica: cinemàtica, parell i potència 63 Transmissió de moviment circular a circular 64 Mecanismes d'alta reducció: caragol sense fi i corona 66 Transmissió de moviment circular a lineal 67 Balanç de potències i flux de parells en caixes reductores 68 10 Termodinàmica i processos en gasos ideals 73 1.

Teoria cinètica, estats de la matèria i transferència tèrmica 73 2. L'equació d'estat dels gasos ideals 74 3. El primer principi de la termodinàmica 75 4. Entalpia 77 5.

Transformacions termodinàmiques en diagrames p-V 77 11 Màquines tèrmiques motores i cicles de potència 80 Fonaments de les màquines tèrmiques motores 80 El cicle de Carnot i el rendiment límit teòric 81 Arquitectura geomètrica dels motors alternatius 83 Cicles de 4 temps: Otto i Diesel 83 Càlcul de paràmetres, potència i consum 85 12 Consum específic de motors i balanç en compressors 86 Consum horari d'un motor tèrmic 87 Potència aportada pel combustible i rendiment 87 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 2 Consum específic 87 Cicles per volta: motors de 2 i de 4 temps 88 Balanç energètic d'un compressor en règim continu 88 13 Màquines frigorífiques i bombes de calor 90 El segon principi de la termodinàmica i els cicles inversos 90 Components fonamentals del circuit de compressió de vapor 91 Coeficient de rendiment (COP) 91 Exemples resolts d'aplicació 94 14 Principis físics dels fluids i components pneumàtics 96 Fonaments físics dels fluids en entorns industrials 96 Comparativa tecnològica: Sistemes pneumàtics vs.

oleohidràulics 97 Generació i condicionament de l'aire comprimit 98 Vàlvules de regulació i control: Classificació ISO 1219 98 Actuadors pneumàtics lineals: Cilindre de simple efecte 101 15 Circuits fluids, actuadors i potència hidràulica 103 Dimensionament mecànic i fluidodinàmic d'actuadors lineals 104 Cinemàtica de l'actuador i cabal volumètric 105 Potència hidràulica i balanç de rendiments 105 Estructura jeràrquica dels circuits i simbologia ISO 1219 106 Circuits de seguretat i funcions lògiques auxiliars 108 Anàlisi de circuits industrials seqüencials 109 Cinemàtica i esforços en màquines elevadores 111 16 Hidrodinàmica i bombes 113 Cabal i equació de continuïtat 113 Teorema de Bernoulli 114 Pèrdues de càrrega 114 Potència hidràulica d'un salt d'aigua 114 Bombes 114 17 Electropneumàtica 116 Les dues meitats de l'esquema 117 Electrovàlvules 117 Elements elèctrics de comandament 117 Exemple: cilindre de doble efecte amb retorn automàtic 118 Tema 3: Electromecànica i automatització 18 Treball, energia, potència i rendiment 125 Fonaments de treball i potència mecànica 125 Conceptes d'energia i conservació 127 Rendiment energètic i diagrama de flux de Sankey 128 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 3 Configuracions complexes: Màquines en sèrie i recuperació energètica 128 19 Balanços energètics i captació solar 130 Fonaments de la combustió i balanços tèrmics 131 Consum específic en sistemes de tracció i instal·lacions industrials 131 Modelització tèrmica de captadors solars plans 133 Dimensionament complet d'una instal·lació solar tèrmica amb suport auxiliar 134 Càlcul d'emissions de gasos d'efecte d'hivernacle i petjada de carboni 136 20 Circuits de corrent continu i llei d'Ohm 138 Naturalesa del corrent elèctric i tipologies 138 Magnituds elèctriques fonamentals 139 Resistència, resistivitat i influència tèrmica 140 Llei d'Ohm 140 Agrupació de resistències en circuits 141 Intervals de tolerància en associacions resistives 141 21 Lleis de Kirchhoff, potència i bateries 142 Potència elèctrica i dissipació per efecte Joule 143 Generadors reals: força electromotriu i resistència interna 143 Anàlisi sistemàtica de xarxes: lleis de Kirchhoff 144 Aparells de mesura en corrent continu 146 Acumuladors elèctrics: capacitat, energia i agrupació 148 22 Condensadors i bobines com a components 150 El condensador 150 Associació de condensadors 151 La bobina 151 Comportament en corrent continu en règim permanent 152 23 Inducció i corrent altern monofàsic 153 Inducció electromagnètica: llei de Faraday-Lenz 154 Generació del corrent altern monofàsic 155 Paràmetres de l'ona sinusoïdal 155 Conversió de corrent altern a corrent continu 156 24 Impedància i potències en corrent altern monofàsic 158 1.

Fonaments de la impedància elèctrica i reactàncies 158 2. Circuits RLC sèrie i paral·lel 159 3. Ressonància elèctrica 160 4. Triangle de potències i factor de potència 161 5. Compensació del factor de potència 161 25 Màquines elèctriques i corba característica de parell 164 Classificació i principis bàsics de les màquines elèctriques 164 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 4 Pèrdues internes, balanç de potències i rendiment 166 Dinàmica de rotació, parell i motors de corrent continu 167 Corbes característiques i punt de funcionament estable 168 26 Centrals elèctriques i circuits industrials 170 1. Modelització de cadenes industrials i rendiment global 170 2.

Centrals termoelèctriques convencionals i nuclears 171 3. Centrals termoelèctriques de cicle combinat 171 4. Generació eòlica: potència del vent i aerogenerador tripala 173 5. Centrals mareomotrius 173 6. Exemple d'anàlisi de potències i parells en un eix industrial 175 27 Centrals hidroelèctriques i energia solar fotovoltaica 176 Central hidroelèctrica 177 Cadena de rendiments 177 Energia anual i hores equivalents 178 Energia solar fotovoltaica 178 28 Àlgebra de Boole i funcions lògiques combinacionals 180 1. Senyals analògics, senyals digitals i codificació numèrica 180 2. Àlgebra de Boole: postulats, propietats i teoremes de De Morgan 181 3.

Portes lògiques i circuits elèctrics equivalents 182 4. Taules de veritat i logigrames 184 5.

Formes canòniques d'una funció lògica 186 29 Simplificació de Karnaugh i esquemes de control 187 Fonaments i estructura dels mapes de Karnaugh 188 Procediment d'ompliment i agrupament de minterms 189 Gestió de termes indiferents (condicions don't care) 194 Implementació física: Esquemes de contactes i portes universals 195 Sistemes de control automàtic industrial 197 Problemes d'automatització industrial resolts pas a pas 199 30 Àlgebra de blocs i tipus de sistemes de control 202 Elements i variables d'un sistema de control 203 Funció de transferència i àlgebra de blocs 203 Tipus de control: lògic i continu 205 Sistemes combinacionals i seqüencials 205 Estabilitat en llaç tancat 205 Tema 4: Projectes de desenvolupament 31 Metrologia, toleràncies i ajustatges 213 1.

Conceptes fonamentals de tolerància dimensional 213 2. Tipus d'ajustatges i càlculs d'acoblament 215 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 5 3. Cadenes de cotes i acumulació de toleràncies 218 4.

Teoria d'errors i incertesa de mesura 221 32 Instruments de mesura dimensional: peu de rei i micròmetre 223 Peu de rei (calibre) 223 Micròmetre (palmer) 224 Altres instruments de verificació 224 Expressió del resultat i fonts d'error 225 33 Sistemes productius, costos i control de qualitat 226 Planificació i cinemàtica dels processos de mecanització 227 Optimització de patrons de tall i costos de conformat 228 Organització de línies de producció i estacions de treball 229 Control de qualitat i taxa d'elements defectuosos 230 Anàlisi de costos: llindar de rendibilitat i període de retorn (payback) 231 34 Normalització industrial i sistemes de gestió de la qualitat 233 Norma i normalització 233 Organismes de normalització 234 Certificació, homologació i marcatge CE 235 Control de qualitat 235 Gestió de la qualitat 236 35 Logística i estratègies de millora contínua 237 La logística en els sistemes productius 237 Sistemes de producció 238 Just in time, kanban i producció ajustada 238 Millora contínua: cicle PDCA i kaizen 239 Mètode 5S i eines d'anàlisi de problemes 239 Pensament crític en l'anàlisi de processos 239 36 Residus industrials i impacte social i ambiental 240 Classificació dels residus industrials 241 Jerarquia de gestió dels residus 241 Impactes ambientals de l'activitat industrial 242 Impacte social 242 Instruments per avaluar i reduir l'impacte 242 37 Formulari 247 1.

Resistència de materials i assajos mecànics 247 2. Cinemàtica, estàtica i màquines simples 248 3. Treball, energia, potència i rendiment 249 4. Fluids: pneumàtica, hidràulica i motors tèrmics 250 5. Electrotècnia i màquines elèctriques 250 6.

Metrologia i control dimensional 251 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 6 38 Resum per repassar 253 Materials i assajos 253 Estàtica, rotació i màquines simples 254 Transmissions 255 Termodinàmica i màquines tèrmiques 255 Fluids, pneumàtica i bombes 255 Energia, centrals i solar 256 Electricitat 256 Lògica i control 257 Projectes: toleràncies, mesura i producció 258 Valors i constants 258 Errors típics 258 Solucions de les preguntes de repàs 260 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 7 1 Propietats dels materials i esforços simples EN ACABAR SABRÀS Saber identificar els esforços simples (tracció, compressió, cisallament, flexió i torsió) i calcular la tensió normal σ = F/S.

Saber explicar el vinclament de les peces esveltes comprimides. Saber distingir la deformació elàstica de la plàstica. Saber calcular la dilatació tèrmica i descriure les propietats tèrmiques, elèctriques, magnètiques, òptiques i químiques dels materials. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què els rails de tren i els ponts tenen petites separacions o juntes cada cert tram? Naturalesa dels esforços mecànics simples Quan una peça suporta càrregues externes en equilibri estàtic, es generen tensions internes per oposar-se a la deformació.

L'esforç mecànic expressa la intensitat de la força interna distribuïda per unitat de superfície resistent: on és la força aplicada en newtons (N), és la secció transversal inicial en metres quadrats (m²) o mil·límetres quadrats (mm²), i la tensió resultant s'expressa en pascals (Pa) o megapascals (1 MPa = 1 N/mm²). Els esforços es classifiquen en dues categories fonamentals segons la direcció relativa de la força respecte al pla de la secció resistent: esforços normals (perpendiculars al pla) i esforços tangencials o tallants (paral·lels al pla).

TEMA 1 Materials i fabricació 1 Propietats dels materials i esforços simples 2 Estructura interna dels materials 3 Assajos mecànics de tracció, duresa i fatiga 4 Classificació, especificació, selecció i ús sostenible dels materials 5 Processos de transformació i fabricació σ o τ = S F F S Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 8 ESQUEMA Classificació dels esforços mecànics simples Tipus d'esforços i formulació bàsica Tracció Dues forces colineals d'igual magnitud actuen cap a l'exterior del cos tendint a allargar-lo en la direcció de l'eix longitudinal i a aprimar la seva secció transversal. Esquema d'un sòlid sotmès a esforç de tracció axial.

Compressió i fenomen del vinclament Dues forces oposades actuen cap a l'interior de la peça provocant el seu escurçament axial. Si l'element presenta una longitud notable en comparació amb les dimensions de la seva secció transversal (com passa en columnes esveltes), no es produeix un aixafament pur sinó una flexió lateral sobtada coneguda com a vinclament. Cisallament (esforç tallant) Dues forces paral·leles d'igual magnitud i sentit contrari actuen en plans molt propers perpendiculars a l'eix longitudinal, provocant que dues seccions adjacents llisquin l'una sobre l'altra.

Esforços normals Perpendiculars a la secció transversal Tracció Forces oposades cap a l'exterior Compressió Forces cap a l'interior i risc de vinclament Esforços tangencials Paral·lels o continguts en la secció Cisallament Lliscat de plans transversals Torsió Moment torsor al voltant de l'eix Esforços combinats Coexistència de tensions normals i tangencials 〰 Flexió Tracció i compressió simultànies en cares oposades σ = S 0 F Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 9 Esquema d'un cos sotmès a cisallament per forces transversals oposades. Flexió mecànica Apareix quan les forces o moments actuen perpendicularment a l'eix longitudinal d'un element recolzat, corbant-lo.

La secció resistent experimenta simultàniament tracció a la cara convexa i compressió a la cara còncava, separades per una línia neutra sense tensió normal. Esquema d'un element resistent flexionat per una càrrega perpendicular. Torsió mecànica Es produeix quan s'aplica un parell de forces en un pla perpendicular a l'eix longitudinal, provocant el gir relatiu d'unes seccions transversals respecte a les altres al voltant de l'eix central. Esquema d'una peça deformada per parells de torsió oposats. Comportament mecànic dels materials La resposta d'un material als esforços determina si recuperarà o no la seva geometria inicial.

Les corbes característiques i magnituds quantitatives associades s'estudien detalladament a «Tema 1: Materials i fabricació — Assajos mecànics de tracció, duresa i fatiga». Propietat mecànica Mecanisme físic Recuperabilitat de la forma Manifestacions tecnològiques Elasticitat Desplaçament reversible dels àtoms respecte a les posicions d'equilibri a la xarxa cristal·lina. Total en retirar la càrrega aplicada. Elements elàstics, molles i ressorts.

τ = S F Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 10 Propietat mecànica Mecanisme físic Recuperabilitat de la forma Manifestacions tecnològiques Plasticitat Desplaçament irreversible de plans cristal·lins mitjançant moviment de dislocacions. Forma deformada permanent després de la descàrrega. Ductilitat (conformació en fils) i mal·leabilitat (xapes fines). Tenacitat i fragilitat Capacitat d'absorbir energia abans de la fractura catastròfica (vegeu resiliència a l'assaig de Charpy). No aplicable en fractura. Materials tenaços resisteixen xocs; materials fràgils trenquen sobtadament. Duresa Oposició de la superfície a ser ratllada o penetrada per un altre cos més rígid.

Deformació localitzada plàstica de la capa superficial. Resistència al desgast superficial en engranatges i guies. Propietats tèrmiques dels materials La temperatura modifica directament les distàncies interatòmiques i el flux d'energia cinètica molecular: Dilatació tèrmica L'augment tèrmic eleva l'amplitud de vibració atòmica, separant les posicions d'equilibri i causant un canvi dimensional proporcional a la variació de temperatura : Dilatació lineal: , on és el coeficient de dilatació lineal (K ¹ o °C ¹). Longitud final: . Diagrama de dilatació tèrmica lineal d'una barra cilíndrica. Dilatació superficial: amb . Àrea final: .

ΔT ΔL = L 0 α ΔT α L = L (1 + 0 α ΔT) ΔS = S 0 σ dil ΔT σ dil 2α S = S (1 + 0 σ dil ΔT) Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 11 Diagrama d'increment de superfície d'una placa per dilatació tèrmica. Dilatació volumètrica o cúbica: amb . Volum final: . Diagrama de variació del volum per dilatació tèrmica cúbica. Calor específica i transmissió de calor per conducció La calor específica representa l'energia necessària per incrementar un grau la massa unitària d'una substància (la fórmula es desenvolupa a la secció principal corresponent).

D'altra banda, la quantitat de calor transmesa per conducció a través d'un cos de gruix i secció perpendicular durant un temps ve donada per la llei de Fourier: on és el coeficient de conductivitat tèrmica (W/(m·K)) i és la potència tèrmica transferida (W). Propietats elèctriques, magnètiques, òptiques i químiques Propietats elèctriques La capacitat de permetre el flux d'electrons lliures defineix el comportament elèctric. La resistivitat elèctrica ( ) i la conductivitat elèctrica ( ) caracteritzen el material segons . Es distingeixen: Conductors: resistivitat molt baixa; la conductivitat disminueix amb la temperatura pel xoc amb la xarxa tèrmica.

Inclouen els superconductors, que a temperatures molt properes al zero absolut perden completament tota resistència elèctrica ( ). ΔV = V 0 γ ΔT γ 3α V = V (1 + 0 γ ΔT) c e Q = m c e ΔT Δx S t Q = Δx k S ΔT t P = t = t Q Δx k S ΔT k P t ρ σ = 1/ρ R = ρ S L ρ = 0 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 12 Semiconductors: materials com el silici o el germani amb comportament intermedi regulable mitjançant impureses (dopatge) o aportació d'energia tèrmica i lumínica. Aïllants: elevada resistivitat; electrons fortament lligats que impedeixen el corrent elèctric.

Propietats magnètiques Segons la resposta dels dominis atòmics davant d'un camp magnètic exterior: Paramagnètics: presenten una feble imantació en el mateix sentit del camp exterior (ex. alumini, estany). Les línies de camp no pateixen desviació substancial. Diagrama de camp magnètic a través d'un material paramagnètic. Diamagnètics: no s'imanten de manera permanent i s'oposen feblement al camp exterior, debilitant-lo lleugerament en el seu si (ex. coure, zinc, plata, aigua). Diagrama de divergència de línies de camp en material diamagnètic. Ferromagnètics: s'imanten intensament, orientant els seus dominis en la direcció del camp i concentrant de forma marcada les línies de flux magnètic (ex.

ferro, níquel, cobalt, acer). Conserven imantació residual. Diagrama de concentració del flux magnètic en material ferromagnètic. Propietats òptiques Segons la interacció amb la radiació visible, els materials són transparents (permeten la transmissió nítida de la llum), translúcids (transmeten part de la llum però dispersant els rajos) o opacs (absorbeixen o reflecteixen la totalitat de la llum incident). Propietats químiques i transformacions d'estat Oxidació: pèrdua d'electrons per part d'un àtom metàl·lic quan s'enllaça amb un agent oxidant (habitualment l'oxigen atmosfèric). Reducció: guany d'electrons per part de l'agent oxidant durant la reacció redox simultània.

Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 13 Corrosió: deteriorament químic o electroquímic progressiu del material provocat per la interacció destructiva amb l'entorn (humitat, àcids, sals). Combustió: oxidació violenta i exotèrmica entre un combustible i un comburent acompanyada d'alliberament de calor i radiació lumínica. Separa els materials en combustibles o ignífugs. Punts de fusió i ebullició: temperatures a les quals es produeixen les transicions entre sòlid-líquid i líquid-gas, respectivament, a una pressió establerta.

EXEMPLE: CÀLCUL DE PROPORCIONS EN MASSA D'UN ALIATGE METÀL·LIC L'aliatge biomèdic i aeronàutic Ti-6Al-4V conté un 6 % en massa d'alumini (Al), un 4 % en massa de vanadi (V) i la resta de titani (Ti). Si es mecanitza un component quirúrgic amb una massa total de , determinem la massa de cada element constituent: Comprovació: . IDEES CLAU Els esforços normals (tracció i compressió) actuen perpendicularment a la secció transversal, mentre que el cisallament actua tangentment. El vinclament és una inestabilitat estructural per flexió lateral que afecta peces esveltes sotmeses a compressió axial.

La deformació elàstica és reversible en retirar la càrrega, mentre que la deformació plàstica implica canvis permanents a la xarxa atòmica. La dilatació tèrmica és proporcional a la variació de temperatura: , amb relacions volumètriques . La quantitat de cada constituent d'un aliatge es calcula multiplicant la fracció en massa de l'element per la massa global de la peça. m = tot 850 g Percentatge del metall base: 1 %Ti = 100 % 6 % 4 % = 90 % Massa d'alumini: 2 m = Al 850 = 100 6 51 g Massa de vanadi: 3 m = V 850 = 100 4 34 g Massa de titani: 4 m = Ti 850 = 100 90 765 g 51 + 34 + 765 = 850 g ΔL = L αΔT 0 γ 3α Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 14 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 2.

Quina diferència fonamental separa l'esforç de tracció del cisallament respecte a l'orientació del pla de la secció? 3. Si una barra d'acer de longitud inicial i coeficient s'escalfa , quant val el seu allargament? TEMA 1: MATERIALS I FABRICACIÓ 2 Estructura interna dels materials EN ACABAR SABRÀS Saber relacionar el tipus d'enllaç (metàl·lic, iònic, covalent) amb les propietats del material. Saber distingir materials cristal·lins i amorfs i descriure les xarxes BCC, FCC i HCP. Saber explicar la deformació plàstica pel moviment de dislocacions i com s'endureix un metall.

Saber distingir les solucions sòlides de substitució i d'inserció i calcular la composició d'un aliatge en percentatge en massa. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 4 Per què es pot doblegar una barra d'acer sense que es trenqui, però una peça de ceràmica es trenca de cop? Les propietats d'un material (si és dúctil o fràgil, dur o tou, conductor o aïllant) depenen de dues coses: com s'uneixen els àtoms (tipus d'enllaç) i com s'ordenen a l'espai (estructura cristal·lina o amorfa). Tipus d'enllaç i propietats que en deriven Enllaç metàl·lic: els àtoms cedeixen els electrons de valència, que formen un «núvol» comú i lliure de moure's entre ions positius.

Aquests electrons mòbils expliquen la bona conducció elèctrica i tèrmica. Com que l'enllaç no té una direcció preferent, els plans d'àtoms poden lliscar sense trencar-se: d'aquí ve la ductilitat. Enllaç iònic: un àtom transfereix electrons a un altre i es formen ions de signe contrari que s'atrauen (per exemple, NaCl o molts òxids ceràmics). Enllaç covalent: els àtoms comparteixen parells d'electrons en direccions fixes (diamant, silici, cadenes dels polímers).

Enllaç Materials típics Conductivitat Comportament mecànic Metàl·lic Metalls i aliatges Alta (electrons lliures) Dúctils i tenaços L = 0 4 m α = 1,2 10 K 5 1 50 C Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 15 Enllaç Materials típics Conductivitat Comportament mecànic Iònic Ceràmics Aïllants en estat sòlid; condueixen fosos o dissolts Durs, fràgils, punt de fusió alt Covalent Diamant, silici, polímers Generalment aïllants Xarxa 3D: molt durs i fràgils Els iònics són fràgils perquè, si un pla llisca, s'enfronten ions del mateix signe que es repel·leixen i el cristall es trenca.

Materials cristal·lins i amorfs DEFINICIÓ Un material és cristal·lí si els àtoms segueixen un patró ordenat que es repeteix a tot el volum; és amorf si l'ordre només és local, com en un líquid congelat (vidre, molts polímers). La unitat mínima que, repetida, genera tot el cristall s'anomena cel·la unitat.

En els metalls predominen tres xarxes: Xarxa Àtoms per cel·la Veïns (coordinació) Factor d'empaquetament Exemples Ductilitat Cúbica centrada al cos (BCC): un àtom a cada vèrtex i un al centre 2 8 0,68 Fe α, Cr, W Mitjana Cúbica centrada a les cares (FCC): un àtom a cada vèrtex i al centre de cada cara 4 12 0,74 Al, Cu, Ni, Au, Fe γ Molt alta Hexagonal compacta (HCP) 6 12 0,74 Mg, Zn, Ti α Baixa La FCC té molts plans compactes per on lliscar, i per això els seus metalls es deformen molt; l'HCP, amb el mateix empaquetament, en té pocs i és menys dúctil. Un mateix element pot canviar de xarxa amb la temperatura (al·lotropia): el ferro és BCC a temperatura ambient i FCC a alta temperatura.

Defectes cristal·lins i deformació plàstica Cap cristall real és perfecte. Els defectes es classifiquen per la seva dimensió: Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 16 ESQUEMA Defectes cristal·lins Puntuals: vacants (falta un àtom), àtoms intersticials (un àtom als buits entre posicions) i àtoms substitucionals (un àtom estrany ocupa una posició). Lineals: les dislocacions, línies on un pla d'àtoms queda interromput. Superficials: límits de gra, fronteres entre cristalls d'orientació diferent.

La deformació plàstica es produeix pel moviment de dislocacions: en lloc de trencar tots els enllaços d'un pla alhora, la dislocació avança trencant-ne i refent-ne uns quants cada vegada, cosa que exigeix molta menys força. Per tant, tot el que frena les dislocacions augmenta la duresa i redueix la ductilitat: àtoms d'aliatge, gra fi (més límits de gra) i deformació en fred (que multiplica les dislocacions i fa que s'entrebanquin). La deformació reversible i el límit a partir del qual comença la plàstica es tracten a «Propietats dels materials i esforços simples» i «Assajos mecànics de tracció, duresa i fatiga».

Aliatges i solucions sòlides DEFINICIÓ Un aliatge és una mescla d'un metall (el majoritari, anomenat dissolvent) amb altres elements (soluts), metàl·lics o no, que conserva caràcter metàl·lic.

Quan el solut es dissol dins la xarxa del dissolvent es forma una solució sòlida: Tipus On es col·loca el solut Condició Exemple Substitució Ocupa posicions del dissolvent Radis atòmics semblants i xarxa i enllaç compatibles Cu-Ni; Cu-Zn (llautó) Inserció S'allotja als buits entre àtoms Àtom solut molt petit (C, N, H) C en Fe (acer) Puntuals Afecten una posició atòmica Vacants Falta un àtom Intersticials Àtom als buits de la xarxa Substitucionals Àtom estrany en una posició Lineals Dislocacions: originen la deformació plàstica Superficials Límits de gra entre cristalls Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 17 En tots dos casos la xarxa queda distorsionada, les dislocacions es mouen pitjor i l'aliatge és més dur i resistent que el metall pur, però sol conduir pitjor l'electricitat, perquè les distorsions dispersen els electrons.

La composició s'expressa en percentatge en massa de cada component : La suma dels percentatges de tots els components ha de donar 100 %. ERROR FREQÜENT Confondre els dos tipus: el carboni a l'acer no substitueix el ferro, s'insereix als buits perquè és molt més petit. I «amorf» no vol dir «sense àtoms ordenats a cap escala»: hi ha ordre a curta distància, però no un patró que es repeteixi. PER RECORDAR-HO Electrons lliures conductivitat. Molts plans de lliscament (FCC) ductilitat. Obstacles a les dislocacions duresa. IDEES CLAU L'enllaç metàl·lic, amb electrons lliures i sense direcció, explica la conductivitat i la ductilitat dels metalls.

Els materials iònics i covalents en xarxa són durs i fràgils i, en general, aïllants. Les xarxes metàl·liques més comunes són BCC (2 àtoms, 0,68), FCC (4 àtoms, 0,74) i HCP (6 àtoms, 0,74); la FCC és la més dúctil. La deformació plàstica es deu al moviment de dislocacions; frenar-les augmenta la duresa. En una solució sòlida de substitució el solut ocupa posicions de la xarxa; en una d'inserció, els buits (C en Fe). La composició d'un aliatge es dona en percentatge en massa: massa del component entre massa total per 100. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Per què un material iònic és fràgil i un metall és dúctil? 6. Per què un aliatge sol ser més dur que el metall pur? 7.

Quin percentatge en massa de Zn té un llautó fet amb 1,4 kg de Cu i 0,6 kg de Zn? i % i = m total m i 100 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 18 TEMA 1: MATERIALS I FABRICACIÓ 3 Assajos mecànics de tracció,duresa i fatiga EN ACABAR SABRÀS Saber interpretar el diagrama tensió-deformació d'un assaig de tracció i obtenir el mòdul de Young, el límit elàstic i la resistència a la tracció. Saber aplicar el coeficient de seguretat per dimensionar una peça. Saber calcular la duresa Brinell i la resiliència amb el pèndol de Charpy. Saber interpretar una corba de Wöhler i el límit de fatiga.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 8 Un clip es trenca si el doblegues amunt i avall moltes vegades, tot i que no l'hauries pogut trencar estirant-lo. Per què? Classificació general dels assajos mecànics Per determinar la resposta real d'un component en servei i verificar que compleix les especificacions de disseny, s'apliquen assajos estandarditzats sobre mostres o provetes normalitzades.

Segons si la integritat física de la peça queda afectada pel procediment, es distingeixen dues grans famílies: Assajos no destructius: verifiquen la qualitat superficial, l'homogeneïtat interna o les cotes d'un material sense alterar-ne l'estructura ni les propietats mecàniques (per exemple, assajos mitjançant ultrasons, raigs X, líquids penetrants o partícules magnètiques). Assajos destructius: sotmeten el material a forces mecàniques o condicions ambientals fins a provocar-ne la deformació plàstica permanent o la ruptura total, deixant la proveta inservible per a un ús posterior.

Assaig de tracció L'assaig de tracció és el mètode destructiu estàtic fonamental per quantificar el comportament mecànic d'un material enfront d'un esforç normal de tracció (com s'ha vist a «Tema 1: Materials i fabricació — Propietats dels materials i esforços simples»). Consisteix a col·locar una proveta mecanitzada —sovint de secció circular o rectangular— entre les mordasses d'una màquina universal d'assaigs i sotmetre-la a una força uniaxial creixent a velocitat lenta i constant fins a la fractura. La màquina té un capçal fix amb una cèl·lula de càrrega, que mesura la força , i un capçal mòbil que, mogut per dos fusos, estira la proveta; un extensòmetre en mesura l'allargament.

Per independitzar les dades de les dimensions particulars de la proveta, les lectures de força i allargament absolut es converteixen en magnituds unitàries: Esforç unitari o tensió nominal ( ): quocient entre la força aplicada i la secció inicial transversal de la proveta: F F L = L L 0 σ F Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 19 S'expressa habitualment en megapascals (MPa) o en ( ). Allargament unitari o deformació ( ): quocient entre l'allargament experimentat i la longitud inicial de referència entre punts: És una magnitud adimensional que sovint s'expressa en tant per cent ( ).

Anàlisi del diagrama tensió-deformació En representar gràficament la tensió enfront de la deformació unitària per a un metall dúctil com l'acer estructural, s'identifiquen diferents zones i punts singulars: Gràfica de la corba tensió-deformació típica d'un acer al carboni dúctil σ = S 0 F N/mm2 1 MPa = 1 N/mm2 ε ε = L 0 ΔL % σ ε Zona elàstica proporcional (tram O-A): la deformació és reversible; si s'anul·la la càrrega, el material recupera exactament la seva longitud inicial. En aquest tram es compleix la llei de Hooke, on el pendent de la recta representa el mòdul d'elasticitat longitudinal o mòdul de Young ( ): El punt correspon al límit de proporcionalitat ( ).

1 E E = ε σ A σ p Límit elàstic ( , punt B): tensió màxima que el material pot suportar sense patir deformacions plàstiques permanents significatives. En molts aliatges on la transició és suau, es defineix convencionalment com (la tensió que deixa una deformació residual del 0,2 %). 2 σ e σ 0,2 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 20 Comparació gràfica de corbes i propietats mecàniques La forma de la corba permet comparar directament el comportament mecànic de materials diferents: Rigidesa: quantificada pel pendent del tram elàstic ( ). Com més vertical és la recta inicial, més rígid és el material i menys s'allarga elàsticament davant una càrrega donada.

Ductilitat: mesura la capacitat de deformar-se plàsticament abans de la fractura. Es mesura per l'allargament unitari total a la ruptura ( ). Un material dúctil presenta una gran zona plàstica abans de trencar-se; un material fràgil es trenca de forma sobtada dins o just a la sortida de la zona elàstica, gairebé sense deformació plàstica. Tenacitat estàtica: representada per l'àrea total sota la corba fins a la ruptura, que indica l'energia mecànica per unitat de volum que el material absorbeix abans de fallar.

Material Mòdul elàstic (GPa) Límit elàstic (MPa) Resistència a la tracció (MPa) Allargament a la ruptura (%) Comportament característic Acer alt carboni 207 380 615 25 Alta resistència, rigidesa elevada Acer baix carboni 207 295 395 37 Molt dúctil, bona conformabilitat Aliatge d'alumini 69-72 85-97 100-186 18-25 Lleuger, moderadament dúctil Bronze / Llautó 110 75-152 303-380 68-70 Molt dúctil, resistent a la corrosió Polímers rígids (PVC, poliamida) 2-4 — 40-80 10-100 Lleugers, poc rígids comparats amb els metalls Cautxú (elastòmer) 0,001-0,1 — 15-30 500-800 Grans deformacions elàstiques, mòdul molt baix Zona de fluència (tram B-C): en certs materials com els acers suaus al carboni, el material experimenta un allargament sobtat sense un increment notable de la tensió aplicada.

3 Zona d'enduriment per deformació plàstica (tram C-D): superada la fluència, cal augmentar la càrrega per continuar deformant la proveta. L'esforç màxim s'assoleix al punt , anomenat resistència a la tracció o esforç de ruptura nominal ( ). 4 D σ r Zona d'estricció i fractura (tram D-E): a partir de la tensió màxima, la deformació deixa de ser homogènia al llarg de la proveta i es concentra en una zona concreta on la secció transversal disminueix de manera dràstica (fenomen de l'estricció). Finalment, al punt es produeix la fractura física del material.

5 E σ-ε E ε r σ-ε E σ e σ r ε Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 21 Coeficient de seguretat i dimensionament En el disseny estructural i mecànic d'elements resistents, cal evitar qualsevol deformació permanent. Per aquest motiu, la tensió màxima de treball o admissible ( ) ha de romandre clarament per sota del límit elàstic mitjançant l'aplicació d'un coeficient de seguretat ( ): EXEMPLE DE CÀLCUL: DIMENSIONAMENT D'UN TIRANT CILÍNDRIC Un cable cilíndric d'acer de baix contingut en carboni ( ) ha de suportar una força de tracció estàtica de amb un coeficient de seguretat . Cal determinar el diàmetre mínim necessari de la barra.

Assaig de duresa Brinell La duresa és la resistència que oposa un sòlid a ser ratllat, penetrat o deformat plàsticament a la seva superfície. L'assaig Brinell (HB) empra un penetrador esfèric de metall dur (acer trempat o carbur de tungstè) de diàmetre , el qual es pressiona contra la superfície del material sota una càrrega constant durant un temps d'aplicació establert.

σ t n > 1 n = σ t σ e σ = t n σ e σ = e 295 MPa F = 18 kN n = 2,5 Càlcul de la tensió de treball admissible: 1 σ = t = n σ e = 2,5 295 MPa 118 MPa = 118 N/mm2 Càlcul de la secció transversal mínima necessària: 2 S = 0 = σ t F 118 N/mm 2 18 000 N 152,54 mm2 Determinació del diàmetre mínim: Per tant, cal triar una barra comercial de diàmetre normalitzat immediatament superior (per exemple, ). 3 S = 0 4 π d2 d = = π 4 S 0 π 4 152,54 13,94 mm 14 mm D F Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 22 Esquema de la penetració esfèrica en l'assaig de duresa Brinell En retirar la càrrega, queda impresa una empremta esfèrica permanent de diàmetre .

La duresa Brinell es defineix com la relació entre la càrrega aplicada i la superfície del casquet esfèric de la marca obtinguda: Com més gran és el diàmetre de l'empremta , més tou és el material analitzat. Assaig d'impacte: Pèndol de Charpy i càlcul de la resiliència L'assaig d'impacte Charpy mesura la tenacitat dinàmica d'un material, és a dir, la seva capacitat d'absorbir energia mecànica sota una càrrega aplicada de forma brusca o sobtada (xoc). d HB = πD D ( D d 2 2) 2F d Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 23 Esquema del funcionament del pèndol de Charpy per a assajos d'impacte PER RECORDAR-HO: TENACITAT VS.

RESILIÈNCIA La tenacitat quantifica l'energia total que absorbeix un material abans de la ruptura completa (incloent-hi la gran deformació plàstica). En canvi, la resiliència expressa la energia per unitat d'àrea absorbida durant un impacte sobtat fins a trencar-se. Per tant, un material molt resistent però fràgil tindrà una resiliència molt baixa enfront d'impactes. El dispositiu consta d'un martell oscil·lant de massa coneguda subjectat a un braç rígid.

El procediment s'estructura segons les fases següents: PROCÉS Procediment operatiu de l'assaig de Charpy m Muntatge de la proveta Es col·loca la proveta recolzada contra l'enclusa amb l'entalla al costat oposat al cop 1 Elevació a l'alçada inicial El martell de massa coneguda es fixa a l'altura inicial h amb energia potencial calculada 2 Alliberament i impacte El pèndol descendeix lliurement, colpeja la proveta i la fractura d'un sol xoc 3 Ascens residual El martell continua la seva trajectòria oscil·lant fins a assolir una alçada final h' reduïda 4 Determinació de la resiliència Es calcula la diferència d'energia potencial dividida per l'àrea neta de la ranura 5 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 24 L'energia absorbida per la fractura ( ) correspon a la pèrdua d'energia potencial del martell (vegeu «Tema 3: Electromecànica i automatització — Treball, energia, potència i rendiment»): La resiliència ( ) s'obté dividint aquesta energia consumida entre la secció neta transversal inicial de la proveta a la zona de l'entalla ( ): EXEMPLE DE CÀLCUL: ASSAIG CHARPY Es fa un assaig Charpy sobre una proveta amb una secció neta a l'entalla de mitjançant un martell de massa .

Es deixa anar des d'una altura inicial i, després de partir la proveta, assoleix una alçada final . Prenent , calculeu la resiliència del material. Assaig de fatiga: càrregues dinàmiques i corba de Wöhler La gran majoria de trencaments mecànics en servei (eixos, molles, bieles, ales d'avió) succeeixen per fatiga. La fatiga és el fenomen de fractura progressiva d'un material sota càrregues cícliques o fluctuants d'amplitud notablement inferior a la resistència a la tracció estàtica i, sovint, fins i tot per sota del límit elàstic.

Per simular aquestes condicions al laboratori, s'utilitza una màquina de fatiga per flexió rotativa (o tracció-compressió cíclica), on una proveta gira sotmesa a un moment flector que inverteix contínuament les tensions de tracció i compressió a les fibres superficials.

ΔE ΔE = m g (h h ) K S 0 K = = S 0 ΔE S 0 m g (h h ) S = 0 80 mm2 m = 20,4 kg h = 0,9 m h = 0,35 m g = 9,8 m/s2 Càlcul de l'energia absorbida pel xoc: 1 ΔE = m g (h h ) = 20,4 kg 9,8 m/s 2 (0,9 0,35) m = 199,92 0,55 109,96 J Càlcul de la resiliència: 2 K = 80 mm2 109,96 J 1,375 J/mm = 2 1,375 MJ/m2 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 25 Dispositiu experimental d'assaig de fatiga sotmès a flexió rotativa Els resultats de múltiples assajos a diferents amplituds de tensió ( o ) es representen en funció del nombre de cicles suportats fins al trencament ( ) en una escala semilogarítmica, donant lloc a la corba de Wöhler (corba S-N): Gràfica de la corba S-N de Wöhler amb el límit de fatiga S σ a N Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 26 En analitzar una corba de Wöhler es defineixen els paràmetres següents: Resistència a la fatiga: valor de l'amplitud de tensió que provoca el trencament per a un nombre determinat de cicles preestablert.

Vida a la fatiga ( ): nombre total de cicles de càrrega que el material resisteix abans de trencar- se a una amplitud d'esforç fixada . Límit de fatiga: amplitud de tensió per sota de la qual el material no es trenca mai per fatiga, suportant teòricament un nombre infinit de cicles de treball. Gràfica comparativa de corbes de Wöhler per a dos aliatges diferents COMPORTAMENT DE L'ACER VS. METALLS NO FÈRRICS Els materials ferrosos (com el material A del gràfic) presenten un límit de fatiga clar, identificable com una asímptota horitzontal a la corba a partir de cicles.

En canvi, els aliatges d'alumini, coure o magnesi (com el material B) no presenten asímptota horitzontal; la resistència a la fatiga continua disminuint contínuament a mesura que augmenta el nombre de cicles. N N f S 1 106 Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 27 PAU · 2025, SETEMBRE, SÈRIE 3 Exercici 1 Indiqueu la resposta correcta. [0,5 punts] Qüestió 2 En un assaig de tracció s'obtenen les corbes tensió-deformació que mostra la figura. Quin dels dos acers és més dúctil? a) L'acer A. b) L'acer B. c) Ambdós tenen la mateixa ductilitat. d) No es pot determinar amb la informació donada. Resolució b) L'acer B.

La ductilitat mesura la capacitat d'un material per deformar-se plàsticament de forma apreciable abans de trencar-se. En una representació gràfica de la corba tensió-deformació ( ), el material més dúctil és el que assoleix una deformació unitària a la ruptura ( ) més gran al llarg de l'eix d'abscisses. Com que l'acer B assoleix un allargament previ a la fractura clarament superior al de l'acer A, l'acer B té una ductilitat molt més gran. IDEES CLAU L'assaig de tracció permet mesurar el mòdul de Young ( ), el límit elàstic ( ) i la resistència a la tracció ( ). El coeficient de seguretat ( ) garanteix que la tensió de treball no superi el límit elàstic del material: .

L'assaig de duresa Brinell avalua la resistència superficial a la penetració mitjançant una bola de diàmetre normalitzat sota una força constant. L'assaig Charpy calcula la resiliència ( ) mesurant la pèrdua d'energia potencial del pèndol en trencar la proveta entallada d'un sol xoc. La corba de Wöhler ( ) defineix el comportament a fatiga davant esforços cíclics i identifica el límit de fatiga per sota del qual no hi ha ruptura. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 9. Com es calcula el diàmetre d'un tirant metàl·lic sotmès a tracció per tal que no es deformi plàsticament si es coneix el coeficient de seguretat? 10.

En què es distingeixen físicament la tenacitat estàtica i la resiliència d'un material metàl·lic? σ-ε ε r E σ e σ r n σ = t σ /n e K = ΔE/S 0 S-N Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 28 TEMA 1: MATERIALS I FABRICACIÓ 4 Classificació,especificació,selecció i ús sostenible dels materials EN ACABAR SABRÀS Saber classificar els materials tècnics en metalls fèrrics i no fèrrics, polímers, ceràmics i compostos. Saber distingir acer i fosa pel contingut de carboni, i llautó i bronze per la composició. Saber aplicar criteris de selecció d'un material (propietats, cost, fabricació i impacte ambiental) i interpretar una designació normalitzada.

Saber aplicar les 3R i el concepte de cicle de vida a l'ús sostenible dels materials. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 11 Per què els quadres de bicicleta de competició es fan de fibra de carboni i no d'acer, si l'acer és més barat? Grans famílies de materials tècnics Els materials d'ús industrial s'agrupen en cinc famílies segons la seva composició i el tipus d'enllaç. Aquesta agrupació permet preveure el seu comportament abans de fer cap assaig. Metalls fèrrics Són els metalls que tenen el ferro com a component principal. Es diferencien pel contingut de carboni: Acers: aliatges de ferro amb menys d'un 2,1 % de carboni, aproximadament.

Són tenaços, es poden conformar i soldar, i admeten tractaments tèrmics. Si porten com a mínim un 10,5 % de crom són acers inoxidables. Foses: tenen més carboni, entre el 2,1 % i el 6,67 %. Són més fràgils, però es colen molt bé en motlles i esmorteeixen les vibracions. Per això s'usen en bancades de màquines i en blocs de motor.

Metalls no fèrrics Metall o aliatge Trets clau Usos típics Alumini (Al) Lleuger (2,7 g/cm³), resisteix la corrosió, bon conductor Transport, envasos, finestres Coure (Cu) Conductivitat elèctrica i tèrmica molt altes, dúctil Cables, bescanviadors de calor Titani (Ti) Gran resistència amb poc pes, biocompatible, car Aeronàutica, pròtesis Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 29 Metall o aliatge Trets clau Usos típics Llautó (Cu + Zn) Fàcil de mecanitzar, bon aspecte Aixetes, valvuleria Bronze (Cu + Sn) Resisteix el desgast i la corrosió Coixinets, hèlixs, campanes Polímers, ceràmics i compostos Els polímers estan formats per cadenes llargues de molècules (macromolècules).

Segons com responen a la calor, n'hi ha de tres tipus: Termoplàstics: tenen les cadenes lliures, sense enllaços entre elles. Per això es reblaneixen amb la calor i es poden refondre i reciclar. Exemples: PE, PP, PVC i PET. Termostables: les cadenes estan entrecreuades. Un cop curats, no es fonen i, si s'escalfen massa, es degraden. Exemples: resines epoxi i baquelita. Elastòmers: admeten grans deformacions elàstiques i recuperen la forma inicial. Exemples: cautxú i silicona. Els ceràmics són compostos inorgànics, com la porcellana, el vidre o l'alúmina. Són durs, fràgils, aïllants i suporten temperatures molt altes.

Els materials compostos combinen una matriu i un reforç per sumar els avantatges de tots dos. Exemples: fibra de carboni en resina epoxi, plàstic reforçat amb fibra de vidre i formigó armat. Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 30 ESQUEMA Materials tècnics Propietats característiques comparades La taula resumeix el comportament típic de cada família. Els conceptes de límit elàstic i mòdul de Young s'expliquen a «Assajos mecànics de tracció, duresa i fatiga». La conductivitat i la dilatació tèrmiques es veuen a «Propietats dels materials i esforços simples».

Família Resistència / rigidesa Ductilitat Conductivitat tèrmica i elèctrica Temperatura de servei Metalls Altes Alta (les foses menys) Alta Mitjana-alta Polímers Baixes Variable Molt baixa (aïllants) Baixa Ceràmics Rigidesa molt alta, fràgils Gairebé nul·la Baixa Molt alta Compostos Molt altes respecte al pes Baixa Depèn dels components Depèn de la matriu Metalls fèrrics Base de ferro Acers Menys del 2,1 % de C Foses Del 2,1 % al 6,67 % de C Metalls no fèrrics Al, Cu, Ti, llautó, bronze Polímers Macromolècules en cadena Termoplàstics Es poden refondre Termostables Cadenes entrecreuades Elastòmers Grans deformacions elàstiques Ceràmics Durs, fràgils, refractaris Compostos Matriu més reforç Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 31 ERROR FREQÜENT Confondre «dur» amb «tenaç».

Un ceràmic és molt dur, però es trenca amb un cop. Un acer és menys dur, però absorbeix molta energia abans de trencar-se. Criteris de selecció Triar un material és buscar un compromís entre diversos factors. Gairebé mai n'hi ha un que sigui el millor en tot: Propietats mecàniques: els esforços que ha de suportar la peça. Propietats tèrmiques: la temperatura de treball, l'aïllament o la conducció de calor que es necessita. Cost: el preu del material i el de transformar-lo. Disponibilitat: el subministrament ha de ser estable i en els formats comercials adequats. Fabricabilitat: la facilitat per colar, mecanitzar, soldar o injectar el material.

Impacte ambiental: l'energia que costa obtenir-lo, la toxicitat i la possibilitat de reciclar-lo. Quan el pes és important, es compara la resistència específica, que és la resistència dividida per la densitat. Per això l'aeronàutica fa servir titani, alumini i compostos. Especificació de materials i productes Especificar un material vol dir identificar-lo sense cap ambigüitat. Això es fa amb una designació normalitzada, un codi alfanumèric definit per una norma. Alguns exemples: Acers (norma UNE-EN 10027): en S235JR, la S indica acer estructural, 235 és el límit elàstic mínim en MPa i JR és la resiliència garantida. Alumini: en EN AW-6061, el primer dígit indica la sèrie d'aliatge.

La sèrie 6xxx correspon a l'Al-Mg- Si. Plàstics: el codi d'identificació de resines numera els plàstics de l'1 al 7 (1 PET, 2 PEAD, 3 PVC, 4 PEBD, 5 PP, 6 PS, 7 altres). Facilita la separació per reciclar-los. La fitxa tècnica recull la designació, la composició, les propietats mecàniques i tèrmiques, els tractaments, les dimensions i formats, i les normes que compleix el material o producte. Ús racional i sostenibilitat La regla de les 3R ordena les accions per prioritat: reduir, reutilitzar i, en darrer lloc, reciclar. El millor residu és el que no es genera. La reciclabilitat canvia molt d'una família a una altra: Metalls i vidre: es poden refondre moltes vegades.

Reciclar alumini consumeix molta menys energia que obtenir-lo del mineral. Termoplàstics: es poden refondre i reciclar. Termostables i molts compostos: es reciclen amb gran dificultat. Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 32 L'ecodisseny té en compte el medi ambient des del disseny del producte. Analitza tot el cicle de vida, des de l'extracció fins a la fi de vida, mitjançant l'anàlisi del cicle de vida (ACV). També procura fer servir pocs materials diferents, fàcils de desmuntar i d'identificar. Els materials crítics són matèries primeres amb una gran importància econòmica i un risc de subministrament alt.

N'és un exemple la llista de la Unió Europea, que inclou el cobalt, les terres rares i el gal·li. Cal estalviar-los, substituir-los i recuperar-los. CICLE Cicle de vida d'un material 1. Extracció: Obtenció de la matèria primera 2. Fabricació: Transformació en producte 3. Ús: Vida útil, que cal allargar 4. Fi de vida: Separació i classificació 5. Reciclatge: Torna com a matèria primera secundària 1 Extracció 2 Fabricació 3 Ús 4 Fi de vida 5 Reciclatge Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 33 IDEES CLAU Els materials tècnics es classifiquen en metalls (fèrrics i no fèrrics), polímers, ceràmics i compostos.

L'acer té menys d'un 2,1 % de carboni i la fosa entre el 2,1 % i el 6,67 %; el llautó és Cu-Zn i el bronze Cu-Sn. Els termoplàstics es poden refondre i reciclar, els termostables no, i els elastòmers recuperen la forma després de grans deformacions. La selecció d'un material equilibra propietats, cost, disponibilitat, fabricabilitat i impacte ambiental. Un material s'especifica amb una designació normalitzada (per exemple, S235JR) i una fitxa tècnica. Les 3R s'apliquen en ordre de prioritat: reduir, reutilitzar i reciclar; l'ecodisseny considera tot el cicle de vida. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 12. Què indica el número 235 de la designació S235JR? 13.

Per què un termostable no es pot reciclar per fusió com un termoplàstic? 14. Què fa que una matèria primera sigui considerada crítica? TEMA 1: MATERIALS I FABRICACIÓ 5 Processos de transformació i fabricació EN ACABAR SABRÀS Saber classificar els processos de fabricació en moldeig, deformació, arrencament de material, unió, sinteritzat i fabricació additiva. Saber triar un procés adequat segons la forma de la peça, el material i el nombre d'unitats. Saber distingir l'extrusió del trefilatge i les operacions de tornejat, fresat i trepat. Saber explicar l'efecte dels tractaments tèrmics de tremp, revingut i recuit.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 15 Com es fabriquen milions de taps de plàstic idèntics a un cost baixíssim? Un procés de fabricació és el conjunt d'operacions que transforma una matèria primera (lingot, pols, xapa, granza de plàstic) en una peça amb la forma, les dimensions i les propietats desitjades. Es classifiquen segons com s'aconsegueix la forma: fonent, deformant, traient material, unint o sinteritzant. Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 34 ESQUEMA Processos de fabricació Conformat per moldeig El material es porta a estat líquid (o pastós), s'aboca o s'injecta dins un motlle amb la forma de la peça i es deixa solidificar.

És ideal per a formes complexes i buides que serien difícils d'obtenir d'altra manera. Procés Com funciona Aplicació típica Fosa en sorra Motlle de sorra compactada, fet a partir d'un model; es trenca per extreure la peça (un sol ús). Peces grans o sèries curtes: blocs de motor, bancades de màquines. Fosa en coquilla Motlle metàl·lic permanent, reutilitzable; el metall hi entra per gravetat o a pressió. Sèries llargues en aliatges de baix punt de fusió (alumini, zinc): llantes, carcasses. Injecció de plàstics La granza de termoplàstic es fon en un cilindre amb un cargol i s'injecta a pressió en un motlle refrigerat. Peces de plàstic en grans sèries: taps, carcasses, joguines.

La fosa en sorra dona pitjor acabat superficial i precisió que la coquilla, però el motlle és molt més barat.

Moldeig Fondre i omplir un motlle Fosa en sorra Motlle d'un sol ús Coquilla i injecció Motlle permanent Deformació Laminatge, forja, extrusió, trefilatge, estampació Arrencament Tornejat, fresat, trepat, làser, doll d'aigua Unió Soldadura, cargols, reblons, adhesius Sinteritzat Pols compactada i escalfada Fabricació additiva Impressió 3D capa a capa Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 35 Conformat per deformació Es dona forma al metall en estat sòlid aplicant-hi forces que superen el seu límit elàstic (vegeu «Assajos mecànics de tracció, duresa i fatiga»), de manera que la deformació queda permanent.

Pot fer-se en calent (el material és més dúctil i cal menys força) o en fred (més precisió i acabat, i el material s'endureix per acritud). Laminatge: el material passa entre dos cilindres que giren i en redueixen el gruix. Dona xapes, planxes i perfils. Forja: es colpeja o es premsa el metall (normalment en calent), lliurement o entre matrius. Dona peces molt resistents: cigonyals, eines. Extrusió: s'empeny el material a través d'un forat (matriu) amb la secció desitjada. Dona perfils llargs: perfils d'alumini per a finestres, tubs. Trefilatge: s'estira un fil a través d'una filera de diàmetre més petit, normalment en fred. Dona filferro i cables.

Estampació: una premsa deforma una xapa entre dues matrius (punxó i matriu). Dona peces de xapa: portes de cotxe, llaunes. ERROR FREQÜENT Confondre extrusió i trefilatge: tots dos fan passar el material per un forat, però en l'extrusió s'empeny i en el trefilatge s'estira. Conformat per arrencament de material Es parteix d'un bloc més gran i se n'elimina material en forma d'encenalls (ferritja) amb una eina de tall més dura que la peça. Dona molta precisió, però es perd material.

Procés Moviment principal Resultat Tornejat (torn) Gira la peça; l'eina avança Peces de revolució: eixos, cargols Fresat (fresadora) Gira l'eina (fresa) de diverses dents; la peça es desplaça Superfícies planes, ranures, engranatges Trepat (trepant) Gira la broca i avança axialment Forats cilíndrics Hi ha també processos de tall sense eina en contacte: el tall per làser fon o vaporitza el material amb un feix de llum concentrat (talls molt precisos en xapa), i el tall per doll d'aigua projecta aigua a pressió molt alta, sovint amb abrasiu, que erosiona el material sense escalfar-lo, útil per a materials sensibles a la calor (plàstics, compostos, pedra).

Processos d'unió Tipus Principi Desmuntable? Soldadura Es fonen les vores de les peces (amb o sense material d'aportació) i en solidificar queden unides No Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 36 Tipus Principi Desmuntable? Unió cargolada Cargol i femella premen les peces Sí Unió reblada Un rebló travessa les peces i se n'aixafa l'extrem No (cal destruir el rebló) Adhesius Una cola s'adhereix a les superfícies i cura No Els adhesius permeten unir materials diferents sense foradar-los i reparteixen l'esforç per tota la superfície.

Sinteritzat i fabricació additiva La pulverimetal·lúrgia fabrica peces a partir de pols metàl·lica: es compacta la pols en un motlle i se sinteritza, és a dir, s'escalfa per sota del punt de fusió perquè les partícules se soldin entre elles. Permet peces poroses (coixinets autolubricats) i materials difícils de fondre. La fabricació additiva (impressió 3D) construeix la peça capa a capa directament des d'un model digital, afegint material només on cal. Permet geometries molt complexes i prototips ràpids sense motlles, però és lenta per a grans sèries.

Tractaments tèrmics bàsics Són cicles d'escalfament i refredament controlats que modifiquen l'estructura interna d'un metall (sobretot l'acer) i, per tant, les seves propietats mecàniques, sense canviar-ne la forma ni la composició.

Tractament Procediment Efecte Tremp Escalfar i refredar molt ràpidament (aigua, oli) Augmenta molt duresa i resistència; la peça queda fràgil Revingut Després del tremp, escalfar a temperatura més baixa i refredar Redueix la fragilitat i les tensions internes; augmenta la tenacitat Recuit Escalfar i refredar molt lentament (dins el forn) Tova el material, augmenta ductilitat i elimina tensions PER RECORDAR-HO La velocitat de refredament mana: ràpid (tremp) dur i fràgil; lent (recuit) tou i dúctil. El revingut sempre ve després d'un tremp.

Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 37 IDEES CLAU Els processos es classifiquen segons com s'obté la forma: moldeig, deformació, arrencament de material, unió, sinteritzat i fabricació additiva. El moldeig (fosa en sorra, coquilla, injecció) és ideal per a formes complexes; la sorra és un motlle d'un sol ús i la coquilla és permanent. En l'extrusió el material s'empeny per la matriu i en el trefilatge s'estira per la filera. Tornejat, fresat i trepat arrenquen ferritja; el làser i el doll d'aigua tallen sense eina en contacte. El sinteritzat compacta i escalfa pols sense fondre-la; la impressió 3D construeix la peça capa a capa.

Tremp: dur i fràgil; revingut: redueix fragilitat després del tremp; recuit: tou i dúctil. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 16. Quina diferència hi ha entre tornejat i fresat? 17. Per què es fa un revingut després del tremp? 18. Quina unió de les estudiades és desmuntable? Test · Tema 1 Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 19. Quin esforç combina tracció i compressió simultàniament a les cares oposades d'una mateixa secció? 20. Com respon un material ferromagnètic davant la presència d'un camp magnètic exterior? 21. Quin fenomen provoca el doblament lateral sobtat d'una barra llarga i prima en lloc del seu aixafament? 22.

En un aliatge Ti-6Al-4V de 500 g de massa total, quants grams de vanadi hi ha presents? Compressió axial a) Flexió mecànica b) Cisallament pur c) Torsió pura d) S'imanta intensament reforçant el camp a) S'oposa feblement debilitant les línies b) No altera en absolut el camp c) Perd tota la seva massa magnètica d) Fatiga mecànica a) Vinclament b) Fluència tèrmica c) Cisallament límit d) 30 g a) 40 g b) 450 g c) 20 g d) Tecnologia Industrial PAU: apunts, formulari i tests 38 23. Quina xarxa cristal·lina dona metalls més dúctils? 24. El carboni dissolt en el ferro forma una solució sòlida de... 25. Què permet la deformació plàstica d'un metall? 26.

Per què els metalls condueixen bé l'electricitat? 27. Quin paràmetre del diagrama tensió-deformació mesura directament la rigidesa elàstica d'un metall? 28. Què succeeix físicament durant…