Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales
1.Introducción
Perspectiva Histórica
Hombre Primitivo
Piedra
Madera
Arcilla
Cuero
Desarrollo de Técnicas
Cerámicas
Metales
Progreso de Tecnologías
Disponibilidad de
Materiales Adecuados
Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Investigar la Relación entre
Estructura
Disposición de
componentes
internos
Propiedades de
los Materiales
Mecánicas
Eléctricas
Térmicas
Magnéticas
Ópticas
Químicas
¿Por qué estudiar Ciencia e Ingeniería de Materiales?
Problema de Materiales
Deterioro de las propiedades del material
Clasificación de Materiales
Metales
Combinación de elementos metálicos
Cerámicos
Compuestos químicos constituidos por metales y no metales
Polímeros
Compuestos orgánicos, basados en
Carbono
Hidrógeno
Otros elementos no metálicos
Compuestos
Formados por más de
un tipo de material
Fibra de vidrio
Vidrio
Polímero
Materiales Avanzados
Semiconductores
Propiedades
Eléctricas
Aislantes
Biomateriales
Implantes en el cuerpo humano
Materiales Inteligentes
Aleaciones con Memoria de Forma
Cerámica Piezoeléctrica
Materiales Magnetoestrictivo
Fluidos Electrorreológicos y Magnetorreológicos
Nanomateriales
Necesidades de Materiales Modernos
Energía
Viabilidad
Procesamiento/Estructura/Propiedades/Correlaciones de Rendimiento
2.Estructura Atómica y
Unión Interatómica
Introducción
Propiedades de Materiales Sólidos
Arreglos geométricos atómicos
Interacciones entre átomos o moléculas constituyentes
Conceptos Fundamentales
Número Atómico (Z)
Número de protones en el núcleo de cada elemento químico
Masa Atómica
Suma de masas de protones y neutrones del núcleo
dos o más masas
Isótopo
Unidad de Masa Atómica
Peso Atómico
Peso ponderado de las masas atómicas de los isótopos
Mol
6.023x10^23 átomos o moléculas
Electrones en los átomos
Modelos Atómicos
Modelo Atómico de Bohr
Electrones giran alrededor del núcleo
atómico en orbitales discretos
Modelo de Ondas Mecánicas
Electrón presenta la dualidad onda-corpúsculo
Números Cuánticos
Tamaño
Forma
Orientación espacial
Configuraciones Electrónicas
Estado de Electrones
Valores de energía
Principio de Exclusión de Pauli
Cada estado electrónico sólo puede
estar ocupado por dos electrones
Configuración Electrónica
Modo como se van ocupando
los estados fundamentales
Electrón de Valencia
Ocupan los niveles más externos
Tabla Periódica
Tabla Periódica
Electropositivo
Izquierda de la tabla
Electronegativo
Derecha de la tabla
Fuerzas y
Energías de
Enlace
Energía de Enlace
Enlace Primario
Enlaces
Primarios
Interatómicos
Enlace Iónico
Siempre existe en compuestos formados
por elementos metálicos y no metálicos
Fuerzas de Coulomb
Enlace Covalente
Electrones compartidos se consideran de ambos átomos
Enlace Metálico
Electrones de Valencia no pertenecen a un elemento en particular
Enlace Secundario o
enlace de Van Der Waals
Fuerzas de enlace
surgen de los dipolos
Enlace dipolo
inducido fluctuante
Los átomos
vibran constantemente
Enlace dipolo
inducido-molécula
polar
Moléculas Polares
Enlace con
dipolos
permanentes
Enlace por puente de hidrógeno
Moléculas
Grupo de átomos unidos entre sí por fuertes enlaces primarios
3.La Estructura de
Sólidos Cristalinos
Introducción
Cristalinidad
No cristalinidad
Conceptos Fundamentales
Cristalino
Átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica
Estructura Cristalina
Ordenación espacial de átomos, iones y moléculas
Red
Centros de las esferas
Celdas Unitarias
Celda Unitaria
Pequeñas entidades que se repiten
Estructuras Metálicas Cristalinas
La estructura de cristal cúbico centrada en las caras
a=2R*RAIZ(2)
La estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo
a=(4R)/(RAIZ(3))
La estructura cristalina hexagonal compacta
Cálculos de Densidad
p=(n*A)/(Vc*NA)
Polimorfismo y Alotropía
Polimorfismo es tener más de una estructura cristalina
Alotropía es cuando se encuentra en sólidos elementales
Sistemas Cristalinos
Parámetros de red
Direcciones Cristalográficas
Cristales Hexagonales
Planos Cristalográficos
Índices de Miller
Arreglos Atómicos
Cristales Hexagonales
Densidades Lineales y Planares
Longitud de Línea y Área del plano
Estructuras Cristalinas Compactas
Los metales tienen el factor de
empaquetamiento más alto=0.74
Monocristales
Disposición atómica perfecta
Materiales Policristalinos
Conjunto de muchos cristales pequeños o granos
Anisotropía
Anisotropía
Direccionalidad de las propiedades
Isotropía
Independientes de la dirección de la medida
Difracción de Rayos X: Determinación de Estructuras Cristalinas
El Fenómeno
de Difracción
Una onda encuentra una serie de
obstáculos separados regularmente
Difracción de Rayos X y
Ley de Bragg
Radiación electromagnética de
elevada energía y corta
longitud de onda
Técnicas de
Difracción
Difractómetro
Determinación de
estructuras cristalinas
Sólidos No Cristalinos
No Cristalino
Carecen de un ordenamiento atómico sistemático y regular
También se les conoce como amorfos
4.Imperfecciones en Sólidos
Introducción
Imperfección
Según la geometría o las dimensiones del defecto
Defecto Puntual
Irregularidad de la red
Vacantes y Autointersticiales
Vacantes
Lugar ocupado por un átomo ausente
Constante de Boltzmann
1.38x10^-23
Autointersticial
átomo ocupando un lugar que
no debería ocuparse
Impurezas en Sólidos
Aleación
Conseguir
Resistencia mecánica
Resistencia a la corrosión
Solución Sólida
Solución de Sólido Sustitutivo
Solución de Sólido Intersticial
Soluto
Menor concentración
Solvente
Mayor cuantía
Unidades de Concentración
Composición
Concentración
Porcentaje de Peso
Porcentaje Atómico
No. de moles en relación al
número de total de moles
Composición de Conversiones
Dislocaciones: Defectos Lineales
Dislocación del Borde
Dislocación de Línea
Dislocación helicoidal
Esfuerzo cizallante
Dislocación Mixta
Ambos tipos
Vector de Burgers
Distorsión reticular
Defectos Interfaciales
Superficies Externas
Límites más evidentes
Límites de Grano
Límite de dos pequeños granos
Límites de Fase
Límites Gemelos
Simetría de red especular
Defectos Interfaciales Varios
Fallos de apilamiento
Límites de fase
Paredes de dominios
Defectos a Granel o Volumen
Poros, grietas, inclusiones extrañas y otras fases
Vibraciones Atómicas
Cada átomo vibra muy rápidamente y se considera defecto
Conceptos Básicos de Microscopía
Microestructura
Tamaño y forma de los granos
Microscopía
Fotomicrografía
Fotografía donde la imagen es guardada
Técnicas Microscópicas
Microscopía Óptica
Microscopía Electrónica
Microscopía Electrónica de Transmisión
Microscopio Electrónico de Barrido
Determinación del Tamaño de la Partícula
Cartas Normalizadas del ASTM
6.Propiedades Mécánicas
de Metales
Introducción
Propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos de laboratorio
Conceptos de Esfuerzo y Deformación
Pruebas de Tensión
Tensión nominal
Deformación nominal
Pruebas de Compresión
Pruebas de Cortante y Torsión
Consideraciones Geométricas del Estado de Esfuerzo
Comportamiento Esfuerzo-Tensión
Módulo de Elasticidad
E
Deformación Elástica
Anelasticidad
Dependencia del tiempo de los mecanismos microscópicos
Propiedades Elásticas de los Materiales
Coeficiente de Poisson
Deformaciones laterales
y axiales
Deformación Plástica
Es permanente
Propiedades de Tracción
Fluencia y límite plástico
Fluencia
Límite Proporcional
Límite elástico
Resistencia a la tracción
Tensión en el máximo del diagrama
tensión-deformación nominales
Ductilidad
Alargamiento relativo porcentual
Resilencia
Capacidad de un material de
absorber energía elástica
Tenacidad
Absorber energía antes de la fractura
Tensión y Deformación Real
Tensión Real
Carga dividida por el área de la sección
Deformación Real
Recuperación Elástica durante
la Deformación Plástica
Deformación por compresión,
cortante y torsión
Dureza
Prueba de Dureza de Rockwell
Penetración de esferas de acero
Prueba de Dureza de Brinell
Penetrador duro esférico
Pruebas de Dureza por microindentación
de Knoop y Vickers
Penetrador de diamante muy
pequeño
Conversión de Dureza
Extrapolaciones entre métodos
Correlación entre Dureza y
Resistencia a la Tracción
La dureza y la tracción son proporcionales
Variabilidad de las Propiedades de los Materiales
Factores de Diseño y Seguridad
Tensión de Seguridad
Tensión de Trabajo