ing materiales

1Ing. Enrique De La Cruz S.

CIENCIA e INGENIERA DE LOS MATERIALES

[email protected]

LOS MATERIALES

Qu importancia

tienen?

Los materiales hacen que ocurran cosas.

Los materiales son sustancias de las que algo est compuesto o hecho

En la historia de la civilizacin, los materialescomo la piedra, el bronce y el hierrodesempearon un papel clave en eldesarrollo de la humanidad.

En la actualidad, gracias aldescubrimiento de los monocristalesde silicio as como de la comprensinde sus propiedades, ha hecho posible eldesarrollo acelerado de la era de lainformacin.

200018001000-4000-35000-500000

190017000-8600-100000-185 000000

28 000. A.C. Aparece la primera cermica sinterizada con formas humanas, la Venus de Vestorice.

Por primera vez el hombre procesa materiales

Desde qu poca se puede hablar de los orgenes dela ciencia de los materiales?

18001000-4000-35000-500000

190017000-8600-100000-185 000000

Se reemplazan las herramientas de

piedra por herramientas de cobre,mucho ms duraderas.

8 000. A.C. Primera metalurgia en

el antiguo Neoltico: forja delcobre.

5 000. A.C. En la actual Turqua, se descubre

que puede extraerse cobre lquido de lamalaquita y la azurita, y que el metal se

puede moldear bajo distintas formas.

3 000. A.C. Trabajadores del metal

en la zona de Siria y Turqua,descubren que al aadir estao

al cobre fundido, se forma una

aleacin ms dura y resistente..el BRONCE.


18001000-4000-35000-500000

190017000-8600-100000-185000000

(0,05%C)

3500. A.C. Los egipcios funden

hierro (posiblemente como unproducto del refino del cobre) por

primera vez, en pequeas

cantidades y para ornamentos ymotivos ceremoniales

300A.C. En el sur de India, se

fabrica acero pudelado apartir de hierro esponja en

un crisol.

200 A.C. En China, se

moldea hierro, iniciosde la fundicin del

hierro.


2EVOLUCIN DE LOS MATERIALES EN EL TIEMPO ESTRUCTURA DE UN MATERIAL

A qu se refiere?

A la disposicin espacial (arreglo geomtrico) de lasunidades estructurales (tomos, iones o molculas) queforman parte de una determinada sustancia (pura omezcla).

Analicemos el caso de una

muestra de sal de mesa,

sustancia cristalina cuyo

constituyente principal es el

cloruro de sodio (NaCl).

Por ejemplo

ESTRUCTURA DE UN MATERIAL

A nivel macroscpico

Pequeo cristal de sal


Haciendo zoom


Haciendo zoom


3A nivel sub microscpico o atmico

Vemos queinternamente estformado por ungran nmero detomos, y que stospresentan unarreglo geomtricoespacial.

tomos electrizados o iones.


Nivel Microscpico:

Se visualiza con ayuda demicroscopios metalogrficosque dan una idea sobre ladistribucin mutua de lasfases, su forma y dimensiones.

Microestructura de un aceroinoxidable austentico

Cristales de sal de mesa

NIVELES DE ANLISIS DE LA ESTRUCTURA DE UN MATERIAL

Nivel Macroscpico:

Se observa a simple vista ocon un aumento insignificantede 30X 40X

Nivel Macroscpico:

Nivel Subatmico:

Organizacin de la parte interna del tomo,es decir, interaccin electrn - ncleo.

Nivel Atmico o submicroscpico:

Organizacin de los tomos omolculas dentro de un cristal.

NIVELES DE ANLISIS DE LA ESTRUCTURA DE UN MATERIAL

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Qu caracteriza al cloruro de sodio, NaCl?

slido cristalino color blanco, si suscristales son finos opulverizados, si se le presiona, sequiebra, soluble en agua, sabor salado, funde a los 801C

Estas son algunas de

sus PROPIEDA

DES

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Qu caracteriza a la cinta de magnesio?

es liviano, es flexible, es blando, dureza Mohs 2,5 conduce el calor y laelectricidad, se oxida con facilidad, se funde a 650C

Estas son algunas de sus PROPIEDADES

4PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Podemos decir entonces que:

Las propiedades son

Caractersticas o cualidades de los materialesque les permiten Diferenciarse o Establecersemejanzas entre otros.

Dichas caractersticas depende de la respuestaque evocan cuando estn expuestos a un estimuloespecfico impuesto.

Ejemplos Tipo de Propiedad Ejemplos

Deformacin con una

carga o fuerza aplicada

Mecnica Mdulo de elasticidad. Resistencia

Campo elctrico Elctrica Conductividad elctrica Constante dielctrica

Calentamiento y/o

enfriamientoTrmica

Capacidad calorfica. Conductividad trmica.

Campo magntico Magntica Ferromagnetismo. Diamagnetismo.

Radiacin lumnica o REM ptica ndice de refraccin. Reflectividad.

Reactividad Deterioro ambiental Reactividad qumica

MaterialEstmulo Propiedad

PROPIEDADES MECNICAS

Ejemplos:

* Resistencia a latraccin / compresin

* Dureza

* Ductilidad

* Elasticidad

* Plasticidad

* Tenacidad/fragilidad

Son las que estn relacionadas con el comportamiento del material cuando se somete a esfuerzos.

Barro Plomo Vidrio

Plasticidad: Capacidad de un material a deformarse

ante la accin de una carga, permaneciendo la

deformacin al retirarse la misma. Es decir es una

deformacin permanente e irreversible.

Maleabilidad: Facilidad a deformarse en lminas. Es una

variacin plstica ante la aplicacin de carga o fuerza.

PROPIEDADES MECNICAS

Ductilidad: Facilidad de deformarse sin romperse

obteniendo hilos.

Elasticidad: Capacidad de volver a su estado inicial

luego de habrsele aplicado una carga sobre l, es decir

que la fuerza o carga aplicada no es permanente.

PROPIEDADES MECNICAS PROPIEDADES ELCTRICAS

Relacionados al comportamiento de la materia tanto en su reaccin a campos elctricos y/o magnticos, como en la creacin de stos en respuesta a otras acciones exteriores mecnicas, trmicas, etc.

Ejemplos:

Resistividad elctrica

Conductividad elctrica

Constante dielctrica

5PROPIEDADES TRMICAS

Ejemplos:

Capacidad calorfica

Temperatura de fusin

Conductividad trmica

Coeficiente de dilatacin

Resistencia al choquetrmico.

Relacionadas con la respuesta de un material al sercalentado.

PROPIEDADES TRMICAS

Fusibilidad: facilidad con que un material puede

fundirse.

Soldabilidad: facilidad de un material para poder

soldarse consigo mismo o con otro material. Lgicamente

los materiales con buena fusibilidad suelen tener buena

soldabilidad.

PROPIEDADES PTICAS

Transmitancia:Para el xido de

aluminio dependede la estructura del

material

Cristal simple

Policristal con baja porosidad

Policristal con alta porosidad

Opacos: no dejan pasar la luz. Transparentes: dejanpasar la luz. Traslcidos: dejan pasar parte de la luz.

Los materiales pueden ser:

Las definiciones de las propiedades sonindependientes a la forma y tamao del material.Callister

PROPIEDAD DE UN MATERIALPROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Importante:

De qu factores dependen las Propiedades ?

De la

Composicin,

Estructura,

Tipo de enlace, y del

Procesado del material

Composicin

Sntesis /procesado

Propiedades/ Comportamiento

en servicio

Microestructura

PARADIGMA DE LA INGENIERA DE LOS MATERIALES

Es hierro o aluminio o es un polmero? Qu tipos de elementos y/o

compuestos presenta y en qu porcentaje se encuentran?

cmo se lo fabric o se le proceso?

el grano es grueso o fino, est deformado o alargado?

cul es la aplicacin final del material?

CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES

Pernos de anclaje

Porcelana

Piscina de polister

Por sus propiedades

M. Metlicos

M. Cermicos

M. Polmeros

Materiales compuestos

Semiconductores.

Por sus propiedades

Por su cristalinidad Por su cristalinidad

Amorfos

Cristalinos

6METALES

Relativamente densos

Relativamente rgidos y fuertes

Dctiles

Resistentes a la fractura

Propiedades mecnicas

Composicin: Uno o ms

elementos metlicos y con

frecuencia tambin con no

metales en cantidades

pequeas.

METALES

Algunos tienen

propiedades magnticas

deseables.

Buenos conductores de la

electricidad y del calor

No son transparentes a la luz visible

Brillan al pulirse su superficie,

apariencia lustrosa.

Presencia de

electrones no

localizados

METALES

Materiales y aleaciones

Aplicaciones Propiedades

Cobre Alambreconductorelctrico

Conductividad elctricaalta, buenaconformabilidad

Hierro fundidogris

Bloques demotores deautomviles

Moldeable, torneable,amortiguador devibraciones.

Aceros dealeacin

Llaves inglesas,chasis deautomviles

Endurecimientosignificativo portratamiento trmico

65% Cu20% Zn y 15% Ni

AMALGAMA DE ORO: Au 95%Hg 5%

EL LATN : aleacin de 65% Cu y 35% Zn o tambin de 75% Cu y 25% Zn

ACERO: aleacin de Fe y C, en diversasproporciones, que adquiere con el temple grandureza y flexibilidad

METALES

Son materiales cristalinosinorgnicos, constituidos porelementos metlicos y no metlicos(xidos, nitruros y carburos)

CERAMICOS

Tenemos por ejemplo: ladrillo, vidrio, loza, cemento

Alta resistencia a temperaturaselevadas (son ms resistentes que losmetales y polmeros cuando se les somete aelevadas temperaturas).

Son duros y muy frgiles (quebradizos).

Son buenos aislantes trmicos yelctricos.

CERAMICOS

Cermicas y vidrios

Aplicaciones Propiedades

SiO2-Na2O-CaO

Vidrios de ventanasy vidrios de sosa cal

pticamente transparente,aislante trmico.

Al2O3, MgO,SiO2

Refractarios paracontencin demetal fundidos

Aislante trmico, soportanaltas temperaturas,relativamente inertes almetal fundido.

Titanato debario

Capacitores paramicroelectrnica

Alta capacidad dealmacenamiento de carga.

Slice Fibras pticas paratecnologa de lainformacin.

ndice refractivo, perdidaspticas bajas.

7Extraordinariamente flexibles

Baja densidad

Baja conductividad elctrica y trmica

Baja resistencia mecnica

Baja resistencia a temperaturas elevadas.

Buena resistencia a la corrosin.

Ejemplo: Caucho, plsticos, adhesivos, etc.

POLIMEROS

Son materiales caracterizados por presentar grandes

estructuras moleculares las que se forman a partir de

molculas orgnicas, tales como: C2H2, CH2=CHCl, etc.

Tefln

Polmeros Aplicaciones Propiedades

Polietileno Empaquetamientode alimentos

Fcilmente convertible enpelculas delgadas, flexibles yhermticas.

Epoxi Encapsulamientode circuitosintegrados

Aislante elctrico y resistentea la humedad.

Fenlicos Adhesivos para unircapas en maderalaminada.

Resistente, repelente a lahumedad.

POLIMEROS

Formados por dos o mas tipos de materiales (metales,cermicas y polmeros) que al ser combinados permitirn lamejora de sus propiedades.

Tenemos:

Materiales naturales: la madera, el hueso.

MATERIALES COMPUESTOS MATERIALES COMPUESTOS

Materiales sintticos:El concreto armado, la fibra de vidrio (fibras dentro depolister), el polmero reforzado con fibra de carbono (CFRP)siendo estos ltimos ms rgidos y fuertes que los reforzadoscon fibra de vidrio.

Accesorio de fibra devidrio

Tela de fibra devidrio

Fibras de vidrio:Fuertes y rgidas

pero frgiles.

Polmero:Dctil, pero dbil y

flexible.

Material compuesto:Relativamente rgida, fuerte,

flexible y dctil y de bajadensidad.

+ =

MATERIALES COMPUESTOS

Polmeros Aplicaciones Propiedades

Grafito epoxi

Componentes paraaviones

Razn resistencia peso alta

Carburo detungstenocobalto

Herramientas decorte de carburopara maquinado

Dureza alta, pero buenaresistencia al impacto.

Acerosrevestido contitanio

Contenedores dereactores.

Bajo costo y alta resistenciadel acero as como a lacorrosin del titanio.

Comparacin de la RESISTENCIA entre los diversos MATERIALES

La resistencia de las cermicas es bajo esfuerzo de compresin.

8COMPOSICIN MICROESTRUCTURA SINTESIS y PROCESAMIENTO

En una determinada situacin, se requiere contar con el

chasis de un automvil que cumpla con las siguientes

propiedades:

material de alta resistencia

sea ligero

absorba mucha energa mecnica y no se rompa

fcilmente sea maleable, etc., etc.

ycon qu se cuenta?

Con una lmina de acero

Luego, cmo sta debe ser procesada?....

Lo anterior nos demanda, tener un conocimiento bsico de

la composicin del material,

la estructura del material,

las propiedades que se requieren ser conservadas y

otras ser alteradas,

el procesamiento adecuado que se deber emplear para

tal propsito, etc., etc.

Microestructura

Composicin Procesamiento

Algunas aplicaciones

La estructura de los materiales tiene una influencia profunda en

muchas de sus propiedades, incluso en el caso de que ste no haya

sufrido algn cambio en su composicin general.

Alambre de

cobre puro

Se le dobla en

forma repetida

Qu sucede, s?

Se endurece. Se vuelve ms frgil

Se vuelve tan duro y tan

frgil que al final se

rompe.

entonces, esos cambios en las propiedadesa qu se debe?

Rpta.: a los cambios ocurridos en su ESTRUCTURA INTERNA a una

escala muy pequea o microscpica llamada MICROESTRUCTURA.

Algunas aplicaciones

Sabias que hoy en da se cuenta con

SUPERCONDUCTORES

CERMICOS. Materiales que

conducen la corriente elctrica sin

ofrecer alguna resistencia

pero sabemos que los materiales cermicos por naturalezaNO son conductores de la corriente elctrica,

entoncescmo puede ser posible que existan talesmateriales?...

Se tuvo que realizar una mezcla con otros materiales, porejemplo formando xidos de itrio, bario y cobre, tal como:

YBa2Cu3O7-x, que conducen bien la corriente elctrica a T.

muy bajas tales como -123C. Sin embargo hoy en da con el

uso de tcnicas adecuadas se les puede trabajar a

temperatura an mayores

A qu se debe que no se utilice el cermico Al2O3, por ejemplo en los

motores de los automviles, en lugar del aluminio metlico?

Rpta.: el xido no resiste las exigencias mecnicas necesarias, esto es,

cargas de impacto relativamente severas, pues ste es quebradizo.

El hecho de ser quebradizotendr que ver con la estructura deestos materiales?....

De la ESTRUCTURA a las PROPIEDADES Si bien el aluminio metlico es ms resistente que su xido,se podra inferir entonces, que todos los metales son muy

resistentes?

Veamos un ejemplo. A continuacin se presenta las estructuras

cristalinas de dos metales, aluminio y magnesio

Experimentalmente se comprueba que las aleaciones de aluminio son

caractersticamente dctiles, mientras que las aleaciones de magnesio

son tpicamente frgiles.

Aluminio Magnesio

Cmo explicar ello?, qu tanto podra influir el empaquetamiento

atmico (estructura cristalina) de estos metales?

9Para comprender las propiedades, o caractersticasobservables de los materiales, es necesario

comprender su estructura ya sea a escala atmica

y/o microscpica.James Schackelford

Para el ejemplo anterior, es importante conocer, por

ejemplo, de qu depende la ductilidad?...; sta propiedad

de los metales, depende de la facilidad con que se produce

la deformacin mecnica a escala atmica, que para el

caso del aluminio hay cuatro veces ms posibilidades o

caminos disponibles para la ductilidad de las aleaciones de

aluminio respecto de las aleaciones del magnesio.

Probeta para traccin

PROCESO DE SELECCIN DE LOS MATERIALES

1 Elegir Aplicacin Determinar las Propiedades(mecnicas, elctricas, pticas, etc.) requeridas.

2 Propiedades Identificar el Material (es) (estructura,composicin) candidato (s)

3 Material Identificar el Procesamiento requerido

Procesamiento: influyen en el cambio de la estructura,tenemos por ejemplo, la fundicin, el sinterizado, eldopaje, el forjado, los tratamientos trmicos, etc.

Tener en cuenta los siguientes factores:

Sus propiedades: dureza, flexibilidad, resistencia al calor...

Las posibilidades de fabricacin: las mquinas y herramientas de las que se dispone, la facilidad con que se trabaja...

Su disponibilidad: la abundancia del material, la proximidad al lugar donde se necesita...

Su impacto sobre el medio ambiente: si contamina, o es txico, o biodegradable

Su precio

SELECCIN DE LOS MATERIALES

La propiedad que determina el material del que est fabricada la malla es la elasticidad

La propiedad que determina el material del que est fabricada la olla es la

conductividad trmica

La propiedad que determina el material del que estn fabricados los faros es la transparencia

y el parachoques la resistencia mecnica

Ejemplo de ELECCIN DEL MATERIAL en funcin a su propiedad

ing materiales

Documents