TEMA 1. Introducción a la ciencia e ingeniería de

materiales

- Los materiales y el hombre

- Ciencia e Ingeniería

- Propiedades y estructura

- La densidad

- Clasificación de los materiales: metálicos, cerámicos,

poliméricos y compuestos (híbridos)

- Necesidad de nuevos materiales y competencia entre ellos

Capítulo 1 Montes

Capítulo 1 Smith

Capítulo 1 Callister

Los materiales y el hombre

La evolución de la humanidad ha estado siempre asociada a los materiales

Material: substancia de la que cualquier cosa está compuesta o hecha.

Los materiales y el hombre

Nuestra vida cotidiana está ligada a los materiales: vivienda, transportes, electrónica,

energía, comunicación, etc.

Estancamiento Crecimiento

exponencial

EDAD DE LOS

MATERIALES

Los materiales y

el hombre

Calendario de los

materiales:

EDAD DE LOS MATERIALES

Ciencia e Ingeniería

• Ciencia de los materiales

Investigar la relación entre la naturaleza de los materiales

(estructura y composición química) y sus propiedades

• Ingeniería de los materiales

Diseñar o proyectar la macroestructura de un material

para conseguir un conjunto determinado de propiedades. Se

fundamenta en las relaciones entre la estructura y las

propiedades

Ciencia Ingeniería

Ciencia e Ingeniería

Estructura Propiedades Aplicaciones

(a todos los niveles)

Ciencia de los

materiales

Ingeniería Industrial

Ingeniería de los

materiales

Conocimiento

básico de los

materiales

(estructura y

propiedades)

Conocimiento resultante

de la estructura,

propiedades, procesado y

comportamiento de

materiales en ingeniería

Conocimiento

aplicado de los

materiales

(propiedades y

aplicaciones)

Transformación de materiales en productos para la vida cotidiana

Ciencia e Ingeniería

de los materiales

Ciencia

Ingeniería

Estructura: Disposición de elementos estructurales (no implica orden) y tipo

de elementos estructurales

Estructura = estructura cristalina y composición química

Niveles de Estructura: Estructura, microestructura, macroestructura, …

según la unidad estructural sean los átomos, unidades de material homogéneo

de tamaño microscópico (fases) o de tamaño macroscópico (microestructuras)

Propiedades y Estructura

Estructura

(átomos)

Microestructura

(fases)

Macroestructura

(microestructuras)

Otros niveles

(..., galáxias, ...)

Estructura

Microestructura

Niveles subatómicos

Niveles de estructura en una

bola de acero de un

rodamiento:

Macroestructura

Propiedades y Estructura

Propiedad: tipo y magnitud de la respuesta del material a un

estímulo específico

Material sometido a esfuerzos mecánicos experimenta deformación, la luz cuando incide en un

espejo pulido se refleja, una corriente eléctrica aplicada a un material conductor eléctrico pasa

a través del mismo, …

Tipos de Propiedades: MECÁNICAS, ELÉCTRICAS, TÉRMICAS,

MAGNÉTICAS, ÓPTICAS Y QUÍMICAS

Estímulos: Carga o fuerza aplicada, campo eléctrico, condiciones

térmicas, campo magnético, radiación electromagnética (lumínica), y

condiciones químicas

Estímulo Propiedad

Propiedades y Estructura

Clasificación de los materiales

Sólidos:

- Soportan su propio peso

- Soportan esfuerzos (estructurales)

Grandes grupos de materiales: por composición química y estructura

METÁLICOS CERÁMICOS

POLIMÉRICOS

Metales y aleaciones

(inorgánicos)

Inorgánicos no metálicos

(metal-no metal)

Moléculas de gran longitud

(orgánicos)

Distintas fases en forma

sólida consolidada

COMPUESTOS

Es una propiedad, clasificación por propiedades Semiconductores

Gas Líquido Sólido

METALES

NO METALES Clasificación de los materiales

Mira a tu alrededor y busca ejemplos de metales, cerámicos, polímeros

y compuestos

Según su estructura:

- Estructura cristalina: la red del sólido tiene orden en el espacio

- Estructura amorfa: la red del sólido no tiene periodicidad (sin orden)

- Estructura molecular: la unidad básica son moléculas pequeñas, no átomos (con

orden). Ejemplos: Cristal líquido, fullerita, microgeles, líquidos iónicos, agua, ...

Sílice cristalina (cuarzo) Sílice amorfa (vidrio)

Monocristal o policristal Vidrio

Clasificación de los materiales

Según su microestructura:

- Monocristalina: todo el sólido es una única red cristalina

- Policristalina: el sólido está formado por granos (o fases) unidos por

interfases, las cuales pueden ser amorfas. Grado de cristalinidad

Monocristal de cuarzo

Fase única: cuarzo

Policristal con Fase A, Fase B, poros e interfases

Policristal de

cuarzo

Clasificación de los materiales

Densidad: Relación entre la masa del material y el volumen que

ocupa. Viene definida por los átomos (m) y la estructura (V)

- Masa: está definida por el tipo y la cantidad de átomos que forman el material

(fórmula química, peso atómico y molecular)

- Volumen: Definido por la estructura, es el volumen total de la pieza.

Pero ¿y si la pieza tiene poros? definiremos distintos tipos de densidades según

cómo se mida el volumen

¿Y los compuestos? Su densidad es la de una de

las fases por su fracción de volumen más la

densidad de la segunda fase por su fracción de

volumen (Regla de las mezclas)

Clasificación de los materiales

Cada gran grupo de materiales

tiene unas estructuras, densidades

y propiedades características

Metálicos: Metales puros y aleaciones

Ferrosos y no ferrosos

• Tienen estructura cristalina.

• En general, son buenos conductores térmicos y eléctricos. Son opacos.

• Son relativamente dúctiles (facilidad para formar hilos sin rotura) a temperatura

ambiente y presentan alta resistencia, incluso a altas temperaturas.

• Ejemplos: hierro, cobre, aluminio, níquel, titanio.

• Aplicaciones: estructuras civiles, transporte, aeronáutica, etc.

• Futuro: desarrollo de aleaciones con mejores propiedades a altas temperaturas o

deformación, con aplicaciones biomédicas (implantes),etc.

Clasificación de los materiales

Cerámicos: Metal-no metal, o no metal puro

Cerámicas tradicionales y avanzadas.

• Pueden ser cristalinos, amorfos o mezcla de ambos (policristalino).

•Tienen gran dureza, resistencia a las altas temperaturas y al desgaste. Normalmente

son buenos aislantes eléctricos y térmicos.

• Son frágiles, ya que presentan poca o nula deformación antes de la fractura.

• Ejemplos: arcilla cocida (ladrillos, tejas, sanitarios y otros materiales de

construcción), vidrio, alúmina, nitruro de silicio, carburo de silicio, diamante, ....

• Aplicaciones: materiales de construcción, paredes de hornos de alta temperatura,

cubas para hornos, revestimientos de alta resistencia al desgaste y a las altas

temperatura, herramientas de corte, abrasivos, ...

• Futuro: desarrollo de cerámicas con gran resistencia a la tenacidad diseñando la

microestructura.

Clasificación de los materiales

Poliméricos: Moléculas orgánicas

Orgánicos (C) y no orgánicos (Si, P, ...)

• La mayoría no amorfos, aunque algunos constan de regiones cristalinas y no

cristalinas (policristalinos). El orden se da a nivel molecular.

• Son malos conductores de la electricidad (buenos aislantes eléctricos).

• En general tienen baja densidad y presentan temperaturas de ablandamiento y

descomposición relativamente bajas. Los elastómeros tienen propiedades mecánicas

únicas, presentando una gran deformación para tensiones aplicadas muy bajas.

• Ejemplos: polietileno, poliuretano, PVC, siliconas (elastómeros).

• Aplicaciones: construcción, automoción, envasado, agricultura,electrodomésticos, ...

• Futuro: mezclas de polímeros con propiedades específicas que los polímeros

actuales no tienen por si solos.

Clasificación de los materiales

Compuestos: Formados por dos fases bien diferenciadas. Diseño de materiales.

Fibra-matriz. Matriz metálica, cerámica o polimérica. Fibras metálicas

(alambres), cerámicas o poliméricas. Paneles sandwich.

• Formados por un material de relleno, la fibra de refuerzo, y una resina aglomerante

(matriz) con propiedades mejoradas respecto de las de cada fase por separado.

• Tanto la fibra como la matriz pueden ser metálicas, cerámicas o poliméricas, con

estructuras cristalinas (nanotubos, wiskers) o amorfas (fibra de vidrio).

• Tienen elevada relación entre resistencia y rigidez y su peso. Sin embargo, son

frágiles y presentan baja tenacidad y baja resistencia a altas temperaturas.

• Ejemplos: fibra de vidrio-poliéster, fibra de carbono-epoxi, aramida-resina fenólica.

• Aplicaciones: aeronáutica, medios de transporte, embarcaciones, equipamiento

deportivo, electrodomésticos, mobiliario urbano, electricidad.

• Futuro: es el conjunto de materiales más reciente y novedoso. Siguen mejorando y

encontrando nuevas aplicaciones.

Clasificación de los materiales

Necesidad de nuevos materiales y competencia entre ellos

Materiales avanzados

Las nuevas tecnologías requieren materiales cada vez más

sofisticados y especializados

- Telecomunicaciones y computación

- Nuevas fuentes de energía (células solares, pilas de combustible,

nuevos combustibles y recipientes nucleares, …)

- Calidad medioambiental (control de la contaminación)

- Transportes de rendimiento optimizado y ecológicos

- Materiales alternativos de fuentes renovables o sostenibles (reciclado)

Reto de la ingeniería de materiales: Desarrollar nuevos materiales con

propiedades mejoradas (o comparables) y con menos impacto

medioambiental

Necesidad de nuevos materiales

Necesidad de nuevos materiales y competencia entre ellos

Competencia entre materiales: Para una misma aplicación se pueden usar

varios tipos de materiales. La elección depende de:

Coste

Técnicas de producción

Mejora de propiedades

- Los compuestos compiten con los metales en aplicaciones estructurales.

- Los cerámicos avanzados compiten con los metales en turbinas y motores.

- Los polímeros compiten con compuestos, metales y cerámicos por su fácil

procesado y bajo coste en aplicaciones a temperatura ambiente.

Las propiedades son decisivas para elegir un material para una aplicación

Criterios de selección:

- Propiedades requeridas por el material para que preste un

determinado servicio. Raramente un material reúne todas las

propiedades requeridas Compromiso de propiedades

- Vida en servicio: Durabilidad del material en las condiciones de

uso (en servicio)

- Consideraciones económicas

- Consideraciones medioambientales

Necesidad de nuevos materiales y competencia entre ellos

Estructura Propiedades Aplicaciones

• Materiales inteligentes: modifican sus

propiedades, estructura o sus funciones en

respuesta a determinados estímulos externos

(temperatura, luz, campomagnético).

• Nanomateriales: tamaño inferior a 100nm.

Se incluyen los materiales moleculares (Cristal

líquido, fullerita)

Cristal líquido

Nuevos materiales

Grafeno Nanotubos de carbono

Nuevos materiales

Fullereno

Fullerita

• Materiales Moleculares