Ciencia e ingeniería de los materiales

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

-4000 -8600

1000 0

1800 1700

2000 1900

¿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.

-500000 -185´000000

-35000 -100000

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.

-4000 -8600

1000 0

1800 1700

1900

¿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

-500000 -185´000000

-35000 -100000

200 A.C. En China, se moldea hierro, inicios de la fundición del hierro.

-4000 -8600

(0,05%C)

1000 0

1800 1700

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

18

2

13

IIA

Li

Be

K

IIIA IVA

3

4

5

6

7

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

Ca Sc

Ti

V

Cr Mn Fe Co Ni

Na Mg Rb Sr

14

8

Y

9

10

VIIIB

11

12

B

IB

IIB

Al

15 VA

16

VIIIA

17

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

18

2

13

IIA

Li

Be

K

IIIA IVA

3

4

5

6

7

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

Ca Sc

Ti

V

Cr Mn Fe Co Ni

Na Mg Rb Sr

14

Y

8

9

10

VIIIB

15 VA

16

VIA VIIA

11

12

B

C

N

O

IB

IIB

Al

Si

P

S

Cu Zn Ga Ge As Ag Cd In Sn Sb

Cs Ba

Au Hg Tl

Fr Ra

Cn

Pb

Bi

17

VIIIA

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

18

IA

2

H

IIA

Li

Be

14

IIIA IVA

3

4

5

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7

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

Ca Sc

Ti

V

Cr Mn Fe Co Ni

Na Mg K

13

8

9

10

VIIIB

11

12

IB

IIB

C Al

Cs Ba

Tl Cn

PVC

N

17

VIIIA

VIA VIIA

O

F Cl

Cu Zn Ga In Sn

Resina epoxi

VA

16

Si

Rb Sr Fr Ra

15

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.