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breve introducción a la ingeniería de materiales , abarca conceptos generales acerca de la importancia del uso de materiales en la actualidad.
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1Ing. Enrique De La Cruz S.
CIENCIA e INGENIERA DE LOS MATERIALES
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.
Desde qu poca se puede hablar de los orgenes dela ciencia de los materiales?
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.
Desde qu poca se puede hablar de los orgenes dela ciencia de los materiales?
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
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL
Haciendo zoom
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL
Haciendo zoom
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL
3A nivel sub microscpico o atmico
Vemos queinternamente estformado por ungran nmero detomos, y que stospresentan unarreglo geomtricoespacial.
tomos electrizados o iones.
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL
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