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?


Dos indicadores del avance de la ciencia de materiales


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

Ciencias de la Agricultura, Mineralogíae Ingeniería

Ciencias Materialese Ingeniería

Reciclado


Materiales, Energía y Medioambiente

Estado

Materiales

MedioambienteEnergía


Materiales e ingeniería

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

ingeniería

Materiales

Diseño Proceso


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


Necesidades sociales y ciencia básica

Necesidades Sociales y Experiencia

Ciencia Básica Conocimientos

Síntesis/ Procesamiento

Funcionamiento

Estructura / ComposiciónConocimiento Científico

Conocimiento Empírico

Propiedades


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


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


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


Tipos de Materiales

Compuestos

PolímerosCerámicos

Metales


Metales

Enlace metálicoBrilloConductividad eléctrica y térmicaMaleabilidadDuctilidad


Cerámicos

Enlaces Iónicos y/oCovalentes

FragilidadDurezaAisladores eléctricos y calóricos


Polímeros

Cadenas de Carbono unidos por enlaces covalentes

TermoplásticosTermorígidosElastómerosAlta relación Resistencia / Peso


Estructura de los materiales

Átomo(Å)

MoléculasAmorfosCristales

(nm)

Granos CristalinosSuperestructuras

DefectosEtc.

(µm)

ElectronesNeutronesProtones

Propiedades electrónicas, Magnéticas, Eléctricas, etc.

Propiedadessensibles a lamicroestructura

Propiedadesinsensibles a lamicroestructura


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


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)


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


Geometrías de celdas


Estructuras Cerámicas


Estructuras de los polímeros

Estado amorfoLineal Ramificada Red

Estado semi-cristalinoPE, ortorrómbico

PET, triclínico


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.


Microestructura

Defectos

Puntuales Lineales superficiales Volumétricos

Vacancias

intersticiales

Sustitucionales

Dislocaciones Maclas

Bordes de grano

macro defectos

Superficies líbres

Las estructuras cristalinas no son perfectas


Borde de Grano


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

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