CIENCIA e INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
Ing. Enrique De La Cruz S. edelacruz@continental.edu.pe
Unidad I N° Sema na
Fecha
1
18/08
Generalidades. Materiales para ingeniería
2
25/08
Los enlaces químicos. Relación: Composición – Estructura – Propiedades
3
01/09
El fenómeno de la difusión
4
08/09
Tipos de Propiedades y tipos de Procesamiento. Propiedades Mecánicas I. Ensayo de tracción I
5
15/09
Propiedades Mecánicas II. Ensayo de tracción II
6
22/09
Propiedades Mecánicas III. Ensayo de dureza
7
29/09
Aceros I: Propiedades, Diagrama de fases, Clasificación y conformación de metales
8
06/10
Aceros II: Tratamientos térmicos
9
13/10
EVALUACIÓN PARCIAL
Contenidos temáticos
PROPÓSITO DE SESIÓN DE CLASE N° 1
Diferenciar los diversos tipos de materiales de ingeniería en función del conocimiento de sus propiedades.
Conocer los principales criterios de selección de materiales.
¿Desde qué época se puede hablar de los orígenes de la ciencia de los materiales?
28 000. A.C. Aparece la primera cerámica sinterizada con formas humanas, la Venus de Vestorice. Por primera vez el hombre “procesa materiales”
-500000 -185´000000
-35000 -100000
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1000 0
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¿Desde qué época se puede hablar de los orígenes de la ciencia de los materiales? 5 000. A.C. En la actual Turquía, se descubre que puede extraerse cobre líquido de la malaquita y la azurita, y que el metal se puede moldear bajo distintas formas. Se reemplazan las herramientas de piedra por herramientas de cobre, mucho más duraderas. 8 000. A.C. Primera metalurgia en el antiguo Neolítico: forja del cobre.
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3 000. A.C. Trabajadores del metal en la zona de Siria y Turquía, descubren que al añadir estaño al cobre fundido, se forma una aleación más dura y resistente….. el BRONCE.
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¿Desde qué época se puede hablar de los orígenes de la ciencia de los materiales? 300A.C. En el sur de India, se fabrica acero pudelado a partir de hierro esponja en un crisol. 3500. A.C. Los egipcios funden hierro (posiblemente como un producto del refino del cobre) por primera vez, en pequeñas cantidades y para ornamentos y motivos ceremoniales
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200 A.C. En China, se moldea hierro, inicios de la fundición del hierro.
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(0,05%C)
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1900
¿Cómo han ido evolucionando los Materiales en el tiempo…?
¿tanto consu mo?
¿Cómo han ido evolucionando los Materiales en el tiempo…?
Tendencia…
LOS MATERIALES
¿Qué importancia tienen?
“Los materiales son sustancias de las que algo está compuesto o hecho” “Los materiales hacen que ocurran cosas….” En la historia de la civilización, los materiales como la piedra, el bronce y el hierro desempeñaron un papel clave en el desarrollo de la humanidad.
En la actualidad, gracias al descubrimiento de los monocristales de silicio así como de la comprensión de sus propiedades, ha hecho posible el desarrollo acelerado de la era de la información.
Piedras, huesos Madera Arena
Flechas, hachas Mueble Vidrio, concreto
MATERIA
MATERIAL USO, UTILIDAD
¿Qué es lo que permite saber, que tal material nos sirve para desempeñar determinada función?
Rpta.: el conocimiento de sus Propiedades.
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ¿Qué características presenta el cloruro de sodio, NaCl? sólido cristalino color blanco, si sus cristales son finos o pulverizados, si se le presiona, se quiebra, soluble en agua, sabor salado, funde a los 801ºC
Estas son algunas de sus PROPIEDA DES
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ¿… y para el caso de una cinta de magnesio? es liviano, es flexible, es blando, dureza Mohs 2,5 conduce el calor y la electricidad, se oxida con facilidad, se funde a 650ºC Estas son algunas de sus PROPIEDADES
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Podemos decir entonces que: Las propiedades son… Características o cualidades de los materiales que les permiten Diferenciarse o Establecer semejanzas entre otros. Dichas características depende de la respuesta que evocan cuando están expuestos a un estimulo específico impuesto.
Estímulo Ejemplos
Material Tipo de Propiedad
Propiedad Ejemplos
Deformación con una carga o fuerza aplicada
Mecánica
Módulo de elasticidad. Resistencia mecánica
Campo eléctrico
Eléctrica
Conductividad eléctrica Constante dieléctrica
Calentamiento y/o enfriamiento
Térmica
Capacidad calorífica. Conductividad térmica.
Campo magnético
Magnética
Ferromagnetismo. Diamagnetismo.
Radiación lumínica o REM Óptica
Índice de refracción. Reflectividad.
Reactividad
Reactividad química
Deterioro ambiental
CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Por su composición • • • • •
M. Metálicos M. Cerámicos M. Polímeros Materiales compuestos Semiconductores.
Pernos de anclaje
Por su cristalinidad (ordenamiento espacial de sus entidades elementales) • •
Amorfos Cristalinos
Porcelana
Piscina de poliéster
MATERIALES METÁLICOS Composición de elementos metálicos 1 IA
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IIA
Li
Be
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IIIA IVA
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Cr Mn Fe Co Ni
Na Mg Rb Sr
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B
IB
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Al
15 VA
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VIA VIIA
Cu Zn Ga Ag Cd In Sn Sb
Cs Ba
Au Hg Tl
Pb
Fr Ra
Cn
Fl
Aros de magnesio
Bi
Fundición en zamak
MATERIALES METÁLICOS Composición:
Metales puros y/o aleaciones, con pequeñas cantidades de elementos no metálicos. Propiedades Mecánicas:
Relativamente densos,
Dúctiles y maleables,
Buena resistencia a la fractura (tenacidad a la fractura).
Ensayo de flexión
MATERIALES METÁLICOS Otras propiedades:
Buenos
conductores
electricidad,
luz
de
(brillo)
y
la calor
(conductividad térmica) gracias a la
presencia
de
electrones
aleaciones
tienen
deslocalizados.
Algunas propiedades deseables,
magnéticas es
ferromagnéticos.
decir,
son
MATERIALES METÁLICOS Se agrupan en general en materiales: Ferrosos (aceros y fundiciones) y No-ferrosos (bronces, latones, etc.) Ej. de Metales y Aplicaciones Propiedades relevantes aleaciones
Alambre eléctrico
Cobre
Hierro gris
Aceros aleación
Conductividad conductor eléctrica alta, Buena conformabilidad
Moldeable, fundido Bloques de motores Torneable, de automóviles Amortiguador vibraciones. de
de
Llaves inglesas, Endurecimiento chasis de significativo por TT automóviles. relativamente fácil.
MATERIALES METÁLICOS Ejemplos de M. metálicos
ACERO: aleación de Fe, C y otros elementos en diversas proporciones, que adquiere con el temple gran dureza y flexibilidad. 65% Cu 20% Zn y 15% Ni
EL LATÓN : aleación de 65% Cu y 35% Zn o también de 75% Cu y 25% Zn AMALGAMA DE ORO:
Au Hg
95% 5%
MATERIALES CERÁMICOS Composición de elementos metálicos y no metálicos que participan en la formación de cerámicos. 1 IA
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Cr Mn Fe Co Ni
Na Mg Rb Sr
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VIA VIIA
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P
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Cu Zn Ga Ge As Ag Cd In Sn Sb
Cs Ba
Au Hg Tl
Fr Ra
Cn
Pb
Bi
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MATERIALES CERÁMICOS Composición: Elementos metálicos y no metálicos en forma de óxidos, nitruros y carburos, por lo general, así como por elementos no metálicos. Propiedades: Buenos aislantes térmicos y eléctricos.
Alta resistencia a temperaturas elevadas (mayores que los metales y polímeros) Son duros y muy frágiles (quebradizos).
MATERIALES CERÁMICOS Ejemplos de M. Cerámicos Óxidos: Al2O3, ZrO Carburos: WC, TiC, Fe3C Nitruros: Si3N4 Vidrios base sílice y silicatos Cerámicas y vidrios SiO2-Na2O-CaO
Aplicaciones
Propiedades
Vidrios de ventanas y Ópticamente vidrios de sosa – cal aislante térmico.
transparente,
Al2O3, MgO, SiO2
Refractarios para Aislante térmico, soportan altas contención de metal temperaturas, relativamente fundidos inertes al metal fundido.
Titanato de bario
Capacitores para Alta capacidad microelectrónica almacenamiento de carga.
Sílice
Fibras ópticas para Índice refractivo, tecnología de la ópticas bajas. información.
de
perdidas
MATERIALES POLIMÉRICOS Composición de elementos no metálicos que están presentes en los polímeros, se unen covalentemente e intermolecularmente. 1
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Cr Mn Fe Co Ni
Na Mg K
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C Al
Cs Ba
Tl Cn
PVC
N
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VIA VIIA
O
F Cl
Cu Zn Ga In Sn
Resina epoxi
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Si
Rb Sr Fr Ra
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Pb Fl
Lv
Caucho
MATERIALES POLIMÉRICOS Composición: Macromoléculas orgánicas formadas, en su mayoría, por la síntesis de moléculas sencillas tales como: C2H2, CH2=CHCl, etc. Propiedades: Extraordinariamente flexibles Baja densidad
Baja conductividad eléctrica y térmica Baja resistencia mecánica Baja resistencia a temperaturas elevadas. Buena resistencia a la corrosión.
Teflón
MATERIALES POLIMÉRICOS Ejemplos de M. Poliméricos: Caucho, plásticos, adhesivos, fibras, resinas, etc. Polímeros Polietileno
Epoxi Fenólicos
Aplicaciones
Propiedades
Fácilmente convertible en Empaquetamiento películas delgadas, flexibles de alimentos y herméticas. Encapsulamiento Aislante eléctrico y de circuitos resistente a la humedad. integrados Adhesivos para Resistente, repelente a la unir capas en humedad. madera laminada.
MATERIALES COMPUESTOS Formados por dos o mas tipos de materiales (metales, cerámicas y polímeros) que al ser combinados permitirán la mejora de sus propiedades. Ejemplo de M. Compuestos naturales: la madera, el hueso.
MATERIALES COMPUESTOS Ejemplo de M. Compuestos sintéticos: El concreto armado, la fibra de vidrio (fibras dentro de poliéster), el polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP), siendo estos últimos más rígidos y fuertes que los reforzados con fibra de vidrio. Accesorio de fibra de vidrio
Tela de fibra de vidrio Fibras de vidrio: Fuertes y rígidas pero frágiles.
+
Polímero: Dúctil, pero débil y flexible.
=
Material compuesto: Relativamente rígida, fuerte, flexible y dúctil y de baja densidad.
MATERIALES COMPUESTOS Ejemplo de M. Compuestos
Aplicaciones
Propiedades
Grafito – epoxi
Componentes para aviones
Carburo tungsteno cobalto
Herramientas de corte de Dureza alta, pero buena carburo para resistencia al impacto. maquinado
de
Aceros revestido Contenedores con titanio de reactores.
Razón resistencia – peso alta
Bajo costo y alta resistencia del acero así como a la corrosión del titanio.
Comparaci贸n de la RESISTENCIA entre los diversos MATERIALES
La resistencia de las cer谩micas es bajo esfuerzo de compresi贸n.
PROCESO DE SELECCIÓN DE LOS MATERIALES 1º elegir, conocer su Aplicación
↦
Determinar las Propiedades (mecánicas, eléctricas, ópticas, etc.) requeridas. 2º garantizar las Propiedades
↦ Identificar el material o materiales candidato (s), teniendo presente la relación: composición, estructura, tipo de unión y costo económico, etc. 3º seleccionar el(los) material(es)
↦ Identificar el tipo de procesamiento requerido, tales como por ejemplo, la fundición, el sinterizado, el dopaje, el forjado, los tratamientos térmicos, etc.
PROCESO DE SELECCIÓN DE LOS MATERIALES Ejemplo: indicar la Propiedad asociada a cada material solicitado. La propiedad que determina el material del que está fabricada la malla es la Elasticidad. La propiedad que determina el material del que está fabricada la olla es la conductividad térmica. La propiedad que determina el material del que están fabricados los faros es la transparencia y el parachoques la resistencia mecánica.
PROCESO DE SELECCIÓN DE LOS MATERIALES Generalizando, podemos decir que la selección de un material está en función de …
Sus propiedades: dureza, flexibilidad, resistencia al calor, etc. Las
posibilidades de fabricación: las máquinas 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 precio
Su impacto sobre el medio ambiente: si contamina, o es tóxico, o biodegradable, por ejemplo.