Ciencia de Materiales I(curso 2004-5)

Dr. Miguel Ángel Arranz MongeDpto. Física Aplicada

Fac. CC. Químicas. UCLM

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Temario de la asignatura

1) Consideraciones generales2) Diagramas de fase3) Solidificación, defectos y difusión en sólidos4) Propiedades mecánicas en metales y métodos de

obtención5) Mecanismos macroscópicos de la deformación

plástica6) Propiedades magnéticas7) Transporte eléctrico en metales y semiconductores8) El acero

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Diseño de la asignatura (I)

• Clases presenciales– Horario: lunes y miércoles (hasta el 17D), 10:30 a

11:30– Presentaciones/explicaciones esquemáticas de la

asignatura– 1 semana/tema (T1 y T5) y 2 semanas/tema (T3 y

T7)– Examen tipo-test al término de cada tema– Material disponible en RedCampus/Web– Indicación de los puntos a desarrollar por el alumno

(seminarios). Máximo seis.

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Diseño de la asignatura (II)

• Seminarios– Trabajo del alumno. El profesor únicamente corrige, asesora o

evalúa las intervenciones

– 2 Seminarios por tema (tres grupos por seminario)

– 6 Grupos de entre 8 a 10 alumnos cada uno y compuestos por tres comisiones

– Intervenciones (cada grupo 20 min.)• Comisión A (exposición teórica 10 min.)• Comisión B (cuestiones teóricas 5 min.)• Comisión C (cuestiones/supuestos prácticos 5 min.)

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Diseño de la asignatura (III)

• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)

– Comisión A

• Un alumno elige y expone en el seminario alguno de los puntos seleccionados en clase por el profesor dentro de cada tema de la asignatura.

• En el turno de preguntas, otro alumno responde a las cuestiones teóricas de la comisión B de otro grupo (elegido al azar)

• La comisión A debe presentar al profesor un informe escrito de su exposición (material para el examen de la asignatura)

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Diseño de la asignatura (IV)

• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)

– Comisión B

• Prepara una breve cuestión teórica para cada uno de los seis puntos propuestos por el profesor

• Realiza la pregunta y la discute con la comisión A correspondiente en el turno de preguntas

• Presenta por escrito al profesor un informe de las seis cuestiones con sus respuestas (material para el examen de la asignatura)

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Diseño de la asignatura (V)

• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)

– Comisión C

• Prepara y resuelve las seis cuestiones o supuestos prácticos propuestos por el profesor en clase

• Expone, explica y resuelve una de ellas (elegida al azar).

• Presenta por escrito al profesor un informe de las seis cuestiones con sus respuestas (material para el examen de la asignatura)

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Diseño de la asignatura (VI)

• Prácticas de laboratorio

– Mediados de diciembre-enero

– Realización tutorizada y por grupos

– Prácticas en el laboratorio de investigación del Dpto. Física Aplicada

– Presentación de una breve memoria-informe

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Evaluación de la asignatura• Itinerario clásico (no participativo)

– Examen final obligatorio (100% nota)• Preguntas de desarrollo (explicadas en clase o de los seminarios)

• Preguntas cortas (test)• Ejercicios-problemas largos

– Prácticas

• Itinerario “europeo” (participativo)– Notas de participación en seminarios– Notas de los exámenes tipo-test– Prácticas– Examen final sólo optativo (o accesorio)

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Tema 1. Consideraciones generales

ÍNDICE

1) Definición de material

2) Ciencia o Ingeniería de materiales

3) Tipos de materiales4) Interrelación Estructura-Propiedades-Procesado en un material

5) Uso actual de los diferentes materiales

• Diseño y selección• Competencia entre los distintos materiales

6) Tendencias futuras en el uso de los materiales

7) Nuevos materiales

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Definición de material

Definición de “material”: substancia de la que cualquier cosa está compuesta o hecha

Ejemplos habituales: madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel.

Importancia de la Ciencia de Materiales

Diseño y proceso de fabricación deproductos

Elección del material más adecuado (características, rentabilidad,…)

Desarrollo de su método de procesadoConocimiento de la estructura y propiedades de los materiales

Nuevos materiales y procesos de fabricación (ingeniería de materiales)

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Ingeniería y Ciencia de Materiales (I)

• Ingeniería de diseño: crean nuevos productos/sistemas– Uso de materiales ya conocidos– Uso de nuevos materiales (ej. Aviones supersónicos 12-25

Mach, aleaciones de Ti reforzadas con fibras de carburo de silicio)

• Ingeniería mecánica: uso de nuevos materiales en motores más eficientes

• Ingeniería eléctrica: uso de nuevos materiales para dispositivos electrónicos de alta velocidad de transmisión

• Ingeniería aeroespacial: uso de materiales con una relación resistencia/peso muy elevada

• Ingeniería química: uso de materiales resistentes a la corrosión¡Sólo son aplicaciones de los Materiales!

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Ingeniería y Ciencia de Materiales (II)

La Ciencia de Materiales estudia e investiga las propiedades, características y la estructura de los distintos materiales. Muestra a la Ingeniería dónde buscar el material adecuado a sus necesidades.

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Tipos de materiales (I)

• Metálicos (para desarrollar)– Tipo de substancia

– Estructura cristalina– Propiedades físicas: conductividad eléctrica, térmica, etc…

– Propiedades mecánicas: resistencia mecánica, ductilidad, etc…

– Clasificación de los distintos materiales metálicos– Aplicaciones

– Ejemplos gráficos

• Poliméricos (plásticos) (para desarrollar)• Cerámicos (para desarrollar)• Compuestos (“composites”) (para desarrollar)• Electrónicos (para desarrollar)

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Estructura-Propiedades-Procesado (desarrollar)

Aspectos íntimamente conectados entre síEl estudio de esta interrelación determina la elección del material

• Estructura del material (distintos niveles)– Atómica: carácterísticas (orbitales,…)– Cristalina: orden cristalino, empaquetamiento,…– Granular– Multifase

• Propiedades– Mecánicas: tipos e información obtenida– Físicas: tipos e información obtenida

• Técnicas de procesado (según material)– Calor: fundido, soldadura,…– Aplicación de fuerzas y forma: prensado, extrusión,…– Inyección

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Uso actual de los diferentes materiales(Diseño y selección)

A) Criterios para la elección de un material

• Propiedades físicas y mecánicas adecuadas• Posibilidad de procesar o manufacturar el material fácilmente• Solución económica• No dañino para el medio ambiente

B) Efectos del entorno sobre el comportamiento del materialLa temperatura (altera las propiedades de los materiales)

- Los metales se funden o pierden parte de su propiedades- El tratamiento térmico es una técnica de reforzamiento- Los polímeros se deforman o se destruyen- Las bajas temperaturas pueden agrietar o romper el material

Acción de la atmósfera exterior (corrosión)-Reacción con el oxígeno u otros gases (sobre todo a alta temperatura)-Deterioro y ruptura prematura del material

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3211.4450Compuesto de carbono-pegamento

3931.4550Aleación de Ti tratada térmicamente

2664.41170Compuesto de Kevlar-carbono

2301.8415Compuesto de carbono-carbono

2192.7590Aleación de Al tratada térmicamente

2127.81650Aleación de Acero tratada térmicamente

711.4100Pegamento

643.2205Al2O3

172.745Al

80.837Polietileno

A/BDensidad (Mg/m3) (B)

Tensión/m 2

(A)Material 1

2

3

4

5

6

A

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Todo tipo de combinaciones en las propiedades físicas y mecánicasCompuestos

Propiedades eléctricas y ópticas únicas (electrónica y comunicaciones)Eléctricos

VariosDiversaMuy altaMuy altaMuy bajaPolímeros

BajoMuy bajaMuy altaMuy bajaMuy altaCerámicos

MedioAltaBajaAltaMedia/ bajaMetales

CosteDureza/Fragilidad

Resistencia a la corrosión

ManejabilidadMoldeado

Resistencia a alta Temperatura

Material

B

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Ejemplo de selección de materiales

Botellas para gases comprimidos (uso normal)1. Materiales semiconductores

inapropiados en aplicaciones estructurales corrientes

2. Los polímeros tienen una resistencia mecánica muy baja

3. Los cerámicos son poco manejables (no dúctiles)

4. Los materiales compuestos reforzados con fibras son muy resistentes pero muy costosos (sólo se eligen para una labor especial, bajo peso)

5. Empleo de un metal

Aplicaciones aeroespaciales1. Idem anterior.2. Es prioritario el empleo de un material

resistente y poco pesado.3. Se substituye el metal por un compuesto

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Competencia actual en el uso de los diferentes materiales

Factores de dependencia en su uso relativo

1. Coste2. Técnicas de

producción3. Material

específico

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Tendencias futuras en el uso de los materiales (I)

• Metálicos (medio-alto)– Su uso se mantiene o incluso aumenta

– Nuevas técnicas de producción (granular, enfriamiento rápido)– Nuevas aleaciones (superaleaciones de Ni para alta temperatura,

aleaciones de Al y Ti). Industria aeroespacial

• Cerámicos (bajo)– Uso limitado por su dificultad de manejo (alta temperatura,

componentes electrónicos

– Necesidad de nuevas técnicas de fabricación

• Poliméricos (muy alto)– Ya substituyen al vidrio, metal y papel (embalaje, construcción)– En el 2000 muchos plásticos habrán substituido a los metales (nylon,

resinas,…). Coste mucho menor.

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Tendencias futuras en el uso de los materiales (II)

• Compuestos (muy alto)

– Principalmente plásticos reforzados con fibra (vidrio). Alto rendimiento y resistencia.

– Combinaciones fibra de vidrio-pegamento o grafito-pegamento se emplean en aeronáutica o náutica.

• Electrónicos (muy alto)

– Crecimiento espectacular desde 1970. Microelectrónica (chips de Silicio)

– Dispositivos electrónicos en la automatización de la vida cotidiana (robots)

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Algunos ejemplos de nuevos materiales

• Aleaciones metálicas con memoria de forma (Ti-Ni, Ni-Mn-Ga), aleaciones magnetoresistivas (Au-Cu), multicapas (Co-Cu, Gd-Co),…

• Cerámicos: materiales superconductores(Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O) que transportan grandes cantidades de energía sin pérdida o disipación alguna

• Polímeros magnéticos (fulerenos, estructuras de carbono), polímeros “termointeligentes”

• Semiconductores magnéticos (dinámica y almacenamiento de “spines”, memoria FLASH)

• Compuestos: fluidos con partículas magnéticas recubiertas de polímero (medicina).