ciencia de materiales

Introducción a la Ciencia e ingeniería de MaterialesUn curso para el profesorado de educación en tecnología (PET)Edgardo L. SantarelliRicadro A. EchevarríaPablo N. Manzione

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales2

Los Materiales y la historia

Por que se llaman como se llaman las edades de la tierra?Como se llamaría la edad actual?Desde cuando conocemos verdaderamente a los materiales?Hay nuevos y viejos materiales?Podemos medir cuanto avanzó esta ciencia?

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales3

Dos indicadores del avance de la ciencia de materiales

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales4

Ciclo de los MaterialesDesde la materia como insumo al producto terminadoY después?

Ciencias de la Agricultura, Mineralogíae Ingeniería

Ciencias Materialese Ingeniería

Reciclado

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales5

Materiales, Energía y Medioambiente

Estado

Materiales

MedioambienteEnergía

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales6

Materiales e ingeniería

Que relación hay entre estos términos?Los ingenieros deben optimizar estos factores en forma simultanea

ingeniería

Materiales

Diseño Proceso

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales7

Aunque usted no lo crea!

Diseño deficiente por que contenía concentradores de tensiónProceso: Soldadura, poco conocido para esta época.Material: mal seleccionado, por desconocimiento del problema

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales8

Necesidades sociales y ciencia básica

Necesidades Sociales y Experiencia

Ciencia Básica Conocimientos

Síntesis/ Procesamiento

Funcionamiento

Estructura / ComposiciónConocimiento Científico

Conocimiento Empírico

Propiedades

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales9

Selección de MaterialesPropiedad o propiedades de interés:

Generalmente la consideración más importanteNormalmente más de un material se adapta

Procesabilidad Facilidad con que pueden ser formados y ensambladosDepende de una compleja combinación de propiedades

Disponibilidad Los mejores materiales no siempre están disponibles (⇑⇑COSTOS)La respuesta común es la sustitución (Cañerías de PVC reemplazan Pb)

Costo: función de disponibilidad y valor agregado entre otras

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales10

Equilibrio: un concepto necesario

Todo sistema dejado a su libre albedrío tiende a alcanzar una situación más estable, en tanto las condiciones del medio se lo permitan.Como sabemos si un sistema está en equilibrio?

Variación de energía Libre

∆G = ∆H – T ∆S

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales11

Clasificación de Materiales

Como toda clasificación puede ser realizada en forma arbitraria según los parámetros seleccionados.

Usos: construcción, electrónicos, etc.Tradicionales vs. AvanzadosTipo: desde nuestro punto de vista es la más conveniente, dado que tiene en cuenta aspectos básicos de la estructura de los materiales, fundamentalmente el tipo de enlace y la estructura

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales12

Tipos de Materiales

Compuestos

PolímerosCerámicos

Metales

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales13

Metales

Enlace metálicoBrilloConductividad eléctrica y térmicaMaleabilidadDuctilidad

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales14

Cerámicos

Enlaces Iónicos y/oCovalentes

FragilidadDurezaAisladores eléctricos y calóricos

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales15

Polímeros

Cadenas de Carbono unidos por enlaces covalentes

TermoplásticosTermorígidosElastómerosAlta relación Resistencia / Peso

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales16

Estructura de los materiales

Átomo(Å)

MoléculasAmorfosCristales

(nm)

Granos CristalinosSuperestructuras

DefectosEtc.

(µm)

ElectronesNeutronesProtones

Propiedades electrónicas, Magnéticas, Eléctricas, etc.

Propiedadessensibles a lamicroestructura

Propiedadesinsensibles a lamicroestructura

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales17

Conceptos de CristalografíaEstructura periódica o repetitiva Orden de largo alcance (alrededores idénticos)Resulta de la organización periódica de puntos en el espacio, a la cual se le asocia un motivo molecular

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales18

Representación geométrica de la estructura cristalina

El sistema es tal que puede ser descrito por una celda unidad Celdas unidad que contienen un único punto de la red (mínimo volumen posible) se llaman celdas primitivasEn el espacio, seis parámetros (a, b, c, α, β, γ)

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales19

Sistemas cristalinos y redes de Bravais

La condición de orden de largo alcance limita la cantidad de geometrías posibles. Estas fueron organizadas en 7 sistemas

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales20

Geometrías de celdas

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales21

Estructuras Cerámicas

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales22

Estructuras de los polímeros

Estado amorfoLineal Ramificada Red

Estado semi-cristalinoPE, ortorrómbico

PET, triclínico

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales23

Direcciones y planos cristalográficos

Definida por un vector que parte del origen y pasa por al menos un átomo. [a b c]Planos cristalográficos: En la notación de Miller los índices (h, k, l) definen un plano que corta a los ejes a, b y c a distancia a/h, b/k y c/l, respectivamente, del origen.

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales24

Microestructura

Defectos

Puntuales Lineales superficiales Volumétricos

Vacancias

intersticiales

Sustitucionales

Dislocaciones Maclas

Bordes de grano

macro defectos

Superficies líbres

Las estructuras cristalinas no son perfectas

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales25

Borde de Grano

Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales26

DifusiónTiene en cuenta que la materia en el interior de un sistema no permanece estática, y su movilidad depende de la temperatura, el tipo de sistema, su estructura, la concentración de defectos, etc.Podemos observarla cuando existen gradientes de concentración en el sistema.

Leyes de Fick.La difusividad D es un parámetro que tiene en cuenta la movilidad