Introduccion a La Ciencia de Los Materiales_PPT

FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES.

GRADO EN INGENIERA MECNICA. PRIMER CURSO.

DEPARTAMENTO DE MECNICA.

AREA DE CONOCIMIENTO: CIENCIA DE LOS MATERIALES E INGENIERA METALRGICA

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TEMA 1: INTRODUCCIN A LA CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES

1. Concepto de Ciencia e Ingeniera de Materiales. 2. Relacin Estructura-Propiedades-Procesado de

Materiales. 3. Materiales Industriales: Grupos Principales y

Propiedades.4. Seleccin de materiales en ingeniera.

FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERA DE LOS MATERIALES.

GRADO EN INGENIERA MECNICA. PRIMER CURSO.

DEPARTAMENTO DE MECNICA.

AREA DE CONOCIMIENTO: CIENCIA DE LOS MATERIALES E INGENIERA METALRGICA

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1.- CONCEPTO DE CIENCIA E INGENIERA DE MATERIALES.

Anlisis de microestructurasConocimiento de propiedades.Innovacin de mtodos de procesado.Mejoras del comportamiento en servicio.

Ciencia de materiales. Una disciplina cientfica ntimamente relacionada con lainvestigacin, que tiene por objeto el conocimiento bsico de la estructura interna,propiedades y procesamiento de los materiales.

Ingeniera de materiales. Una disciplina de ingeniera que trata del conocimiento de los materiales a niveles fundamentales y aplicado, con objeto de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por una sociedad tecnolgica.

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Procesado

Estructura

a) Subatmica.

b) Ordenamientoatmico.

c) Subestructura.

d) Microestructura

e) Macroestructura

a) Fsicas

b)Fsico-Qumicas

y tecnolgicas.

c) Otras.

Propiedades

Procesos de fabricacin.

Procesos de modificacin de propiedades.

2.- RELACIONES ENTRE ESTRUCTURA, PROPIEDADES y PROCESADO DE LOS MATERIALES.

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9A-1) Estructura subatmica: Configuracin de electrones en niveles energticos.

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A-2) ESTRUCTURA DE ORDENAMIENTO ATMICO:

CONFIGURACIN DE LOS TOMOS EN SU DISPOSICIN ESPACIAL DENTRO DEL SLIDO

ESTRUCTURAS ORDENADAS O DESORDENADAS: ESTADOS CRISTALINO Y VTREO.

MARGEN DE RESOLUCIN EN LONGITUD: 1 A 10 . CARACTERIZACIN MEDIANTE DIFRACCIN DE RAYOS X, DIFRACCIN DE

ELECTRONES Y MICROSCOPA ELECTRNICA DE ALTA RESOLUCIN

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A-3) SUBESTRUCTURA .

NIVEL DE ORDENAMIENTO EN EL QUE SE MANIFIESTAN DETALLES DE LA ESTRUCTURA INTERNA DE LOS SLIDOS CON MRGENES DE RESOLUCIN DE 1 A 100 NANMETROS.

DEFECTOS SUPERFICIALES, PLANARES, LINEALES Y PUNTUALES EN MATERIALES CRISTALINOS.

NANOCRISTALES.

OBSERVACIN A TRAVS DE TEM

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A-4) MICROESTRUCTURA:

NIVEL DE ORGANIZACIN INTERNA QUE PERMITE DISTINGUIR DETALLES ESTRUCTURALES OBSERVABLES A TRAVS DE MICROSCOPA PTICA O ELECTRNICA DE BARRIDO, SEM.

MARGEN DE RESOLUCIN: 1 A 100 MICRAS

FASES Y MICROCONSTITUYENTES EN LOS SLIDOS, ESTRUCTURA GRANULAR EN MATERIALES CRISTALINOS, RECUBRIMIENTOS DE SUPERFICIE, MICRODEFECTOS DE PROCESADO

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A-5.-MACROESTRUCTURA:

NIVEL EN EL QUE SE APRECIAN LOS DETALLES MACROSCPICOS, OBSERVABLES A SIMPLE VISTA, CON INSTRUMENTOS PTICOS DE BAJOS AUMENTOS, O BIEN CON TCNICAS NO DESTRUCTIVAS (RADIOLOGA, ULTRASONIDOS).

DEFECTOLOGA EN EL PROCESADO Y FABRICACIN DE MATERIALES: FUNDICIN, SOLDADURA, FORJA, LAMINACIN

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B.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES33

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* MECNICAS: - Resistencia a rotura.- Alargamiento (%)- Lmite elstico- Tenacidad, Dureza, etc.

* FSICAS: - Elctricas: Conductividad, cte dielctrica- Trmicas: Conductividad trmica, capacidad calorfica- Magnticas: Permeabilidad, susceptibilidad magntica- pticas: ndice de refraccin, absorbancia

* QUMICAS: - Resistencia a la corrosin.- Reactividad en lquidos,gases

Los materiales se emplean para almacenar o transmitir las variables que definen las diversas energas: mecnica, elctrica, magntica, trmica, qumica, ondulatoria. Por ejemplo, la energa mecnica queda definida por las variables fuerza, F, y desplazamientos, L, a travs de la expresin Los requerimientos que se solicitan definen propiedades fsicas o qumicas que son definidas especficamente en aquellas ciencias bsicas y que constituyen el ndice habitual del anlisis de la Ciencia de Materiales. En el caso de la energa mecnica, la propiedad conexa es la definida como caractersticas mecnicas o resistentes. Se clasifican estas propiedades como componentes de cada tipo de energa, de forma que tendremos, la siguiente clasificacin:

A. Mecnicas

B. Trmicas

C. Elctricas

C.1. Conduccin elctrica.

C.2. Semiconduccin elctrica.

C.3. Aislamiento elctrico.

D. Magnticas

E. Ondulatoria

F. Qumicas

Familias segn propiedades energticas:

M F dL

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PROPIEDADES-APLICACIONES DE LOS MATERIALES39

C-1) TCNICAS DE FABRICACIN O CONFORMACIN INDUSTRIAL :

Conformacin por Fundicin/Moldeo: Fusin y solidificacin en molde.

C,- PROCESADO40

Conformacin por deformacin plstica (en fro o en caliente): Laminacin plana (planchas, flejes, etc.), forja, extrusin, trefilado, formado de lminas,

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Conformacin por deformacin plstica (en fro o en caliente): Laminacin plana (planchas, flejes, etc.), forja, extrusin, trefilado, formado de lminas,

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Conformacin por sinterizacin: Proceso de interaccin entre partculas, activado trmicamente, durante el cual una masa de polvo compactada, se densifica para solidificar con la composicin preestablecida. Tambin se refiere a los procesos para variar la porosidad del conjunto. PULVIMETALURGIA.

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Tcnicas especiales de fabricacin: Obtencin de monocristales, solidificacin rpida, implantacin inica, etc..Tcnicas de unin o ensamblaje: Soldadura,

SOLIDIFICACIN RPIDA CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES

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C-2) TRATAMIENTOS DE MODIFICACIN DE PROPIEDADES:

Tratamientos Trmicos: Ciclos de calentamiento y enfriamiento, tales como los distintos tipos de recocido, el normalizado, el temple y el revenido para las aleaciones frreas.Tratamientos Mecnicos: Deformacin, impacto superficial (granallado) Tratamientos de Superficie: Recubrimientos protectores, refuerzo de propiedades superficiales, acabados, etc..

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Los materiales industriales alcanzan un amplio espectro de aplicaciones yestn constituidos de las materias primas ms diversas. Para proceder a suestudio sistemtico es necesario establecer unas familias de acuerdo con unoscriterios preestablecidos.

a) Un criterio aceptado universalmente es el que singulariza las familias enfuncin de la naturaleza de los componentes mas simples de los materiales. Eneste sentido habla de materiales: metlicos, cermicos, polimricos,compuestos y electrnicos.

b) Otro criterio de diferenciacin de familias es por la semejanza depropiedades fsicas especficas a las que se aplican en las diversasingenieras. En este sentido podemos definir familias con propiedadesmecnicas, de conduccin elctrica, magnticas, trmicas, nucleares,resistencia frente a la corrosin, pticas, etc.

Familias y tipos de materiales

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3.- Materiales Industriales: Grupos Principales y Propiedades.

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iales Industriales: Grupos Principales y Propiedades.

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Metales y aleaciones refractarias,(Mo, Nb, W y Ta) Superaleaciones (base Fe, Co, Ni) Aleaciones de baja fusin (Pb, Zn,Sn) Metales preciosos (Au, Ag, Pt) Aleaciones con memoria de forma (Nitimol : 55%Ni-45%Ti) Aleaciones amorfas (vidrios metlicos) Espumas metlicas Nanomateriales ( 1 a 100 nm)

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RELACIN COMPOSICIN, ESTRUCTURA, PROPIEDADES52

1.- MATERIALES METLICOS:

Estructura:

Ordenamiento cristalino. Unin interatmica: Enlace Metlico

Propiedades:

Alta conductividad elctrica y trmica Emisin electrnica pticas: Reflexin y brillo Mecnicas: Resistencia mecnica alta

Plasticidad

* Procesado: Adaptables a cualquier proceso de conformacin industrial:

Fundicin, Forja, Laminacin, Mecanizado, etc..

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UTILIZACIN INDUSTRIAL DE LOS METALES:

- Aplicaciones conductoras : Cobre, Aluminio y sus aleaciones.

- Aplicaciones Estructurales:Aleaciones frreas: Aceros (Fe-C..)Aleaciones no frreas: Al, Cu, Ni, Ti,

Componentes en un motor turbodisel.

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2.- MATERIALES CERMICOS:

* Estructura: Ordenamiento cristalino de tomos o molculas. Uniones interatmicas: Enlaces Inicos y

Covalentes

* Propiedades: Aislantes elctricos y trmicos Temperaturas de fusin elevadas Propiedades Mecnicas:

- Durezas muy altas- No admiten deformacin plstica- Baja Tenacidad: Materiales frgiles

* Procesado: Difciles de procesar por fusin No procesables por deformacin Procesado por sinterizacin Procesado por moldeo en hmedo

(presencia de arcilla)

Nueva generacin de materiales cermicos.

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Cermicas Estructurales:A)Tradicionales:

Componentes: - Arcilla- Slice- Feldespatos

Aplicaciones en Ladrillos, tejas, porcelanas, etc..

B) De Ingeniera: Oxdicas: - Almina ( Al2 O3 )

- Circonia ( Zr O2 )- Magnesia ( Mg O )

Aplicaciones: Aislantes y diseos mecnicos Anoxdicas:

- Carburo de silicio- Nitruro de silicio

Aplicaciones: Diseos mecnicosTrabajos a temperaturas elevadas

TIPOS Y APLICACIONES DE MATERIALES CERMICOS

Cermicas Funcionales:

Materiales Dielctricos:- Titanatos (Ti O3 Ba)

Materiales Piezoelctricos- Titanatos (Ti O3 Ba, Ti O3 Pb)- Circonatos (Zr O3 Pb)- Cuarzo.

Materiales Magnticos:- Duros y Blandos- Ferritas de : Fe, Ba, Sr

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3.- POLMEROS O MATERIALES POLIMRICOS* Estructura:

Formacin de Macromolculas: Cadenas Uniones interatmicas: Enlaces Covalente y uniones secundarias (Van der Waals)

* Propiedades: Ausencia de electrones libres: Aislantes

elctricos y trmicos. Comportamiento mecnico:

- Resistencia mecnica - Plasticidad elevada en termoplsticos- Densidad

Resistencia a corrosin elevada Bajo coste

* Procesado: Fcilmente adaptables a multitud de

procesos industriales: Termoconformacin,Inyeccin, Extrusin...( Ver esquemas)

* Tipos: Propiedades y aplicacionesA) Polmeros termoplsticosB) Polmeros termoendureciblesC) Elastmeros

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67A) TERMOPLSTICOS:

- Cadenas lineales- Plasticidad: Deslizamiento de cadenas- Ablandamiento con calor: termoplasticidad- Transicin vtrea

- Aplicaciones: Aislamiento elctrico, canalizaciones, tuberas, envases...

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B) TERMOESTABLES O TERMOENDIRECIBLES:

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- Cadenas con grupos funcionales ms complejos. Extensin de enlaces entre cadenas. Configuraciones reticulares.- Estables con calor: No termoplasticidad- Tipos representativos: Resinas, bakelitas, melaminas, polisteres...- Aplicaciones: Aislantes, aparallaje elctrico, matriz de materiales composites...

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C) ELASTMEROS:

- Cadenas lineales rizadas: Comportamiento elstico elevado.- Presencia de enlaces insaturados en cadenas. Saturacin y refuerzo de uniones: vulcanizacin- Aplicaciones: Juntas, sellado de uniones, fabricacin de gomas, neumticos....

ELASTMEROS: 74

4.-MATERIALES COMPUESTOS O COMPOSITES:

* Formados por dos o ms materiales de los anteriores grupos.

* Finalidad: Obtener propiedades no obtenibles con uno solo de los componentes.

* Componentes: Matriz y Refuerzo.

Matriz Mayor proporcin. Plasticidad y cohesin

Tipos: Polmero, Metal, Cermico.

Refuerzo Resistencia y rigidezTipos: Cermico, Metal, Polmero.

Distribucin de Refuerzos: Fibras, Partculas, laminar

* Ejemplos:

Composites reforzados con:

Fibras: - F. vegetal/ Arcilla- Carbono, Boro, Vidrio/Resinas

polister, epoxi, etc.. Partculas: - Grava/cemento (Hormign)

- Carburos/Metal ( Cuchillas corte)- Polvo W/Ag (Contactos elctricos)

Lminas: - Chapados en industria de madera, construccin, etc..

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Los materiales compuestos se producen cuando dos materiales se unen para

dar una combinacin de propiedades que no puede ser obtenida en los

materiales originales.

Estos materiales se seleccionan para proporcionar combinaciones de

propiedades poco usuales de rigidez, peso, resistencia, resistencia a corrosin,

a altas temperaturas, dureza o conductividad.

Los materiales compuestos pueden ser de metal-metal, metal-cermica, metal-

polmero, cermica-cermica o polmero-polmero.

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Ejemplos de Composites reforzados con: Fibras:

- Fibra vegetal/ Arcilla- Carbono, Boro, Vidrio/Resinas de polister, epoxi, etc..

Partculas:- Grava/cemento (Hormign)- Carburos/Metal ( Cuchillas corte)- Polvo W/Ag (Contactos elctricos)

Lminas:- Chapados en industria de madera, construccin, etc..

Sin embargo, los materiales compuestos suelen clasificarse en tres

categoras: Con partculas, con fibras y laminares, dependiendo de la

forma del material.

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Compuestos reforzados con partculas

En estos materiales compuestos las partculas de material duro y frgil,

dispersas de forma discreta y uniforme se rodean de una matriz ms blanda y

dctil.

Dependiendo del tamao y la naturaleza de las partculas que influyen en las

propiedades del compuesto, estos se clasifican en:

a) Compuestos endurecidos por dispersin.

b) Compuestos con partculas propiamente dichas

Cuando las partculas de refuerzo se encuentran uniformemente distribuidas,

los compuestos tienen propiedades isotrpicas.

Los compuestos fibrados pueden ser tanto isotrpicos como anisotrpicos y los

compuestos laminares siempre tienen un comportamiento anisotrpico.

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Compuestos reforzados con fibras

Estos compuestos mejoran la resistencia, carga de rotura, la rigidez, la

relacin resistencia/peso, por la introduccin de fibras fuertes, rgidas y

frgiles, en una matriz ms blanda y dctil.

El material de la matriz transmite los esfuerzos a las fibras y proporciona

tenacidad y ductilidad al compuesto, mientras las fibras soportan la mayor

parte de la fuerza o tensin aplicada.

Una caracterstica de estos compuestos respecto a los endurecidos por

dispersin es que la resistencia del compuesto aumenta tanto a temperatura

ambiente como a elevadas temperaturas.

Se suelen emplear una gran cantidad de materiales reforzados. Desde la

antigedad se conoce el refuerzo de la paja en el adobe y en nuestros das

est extendido el refuerzo de acero en estructuras, as como el refuerzo de

fibras de vidrio sobre polmeros, fibras de boro o carbono, de propiedades

excepcionales de resistencia o diminutos monocris-tales cermicos

denominados whiskers desarrollados para este objetivo.

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Los materiales de refuerzo presentan morfologas muy variadas con

orientaciones caractersticas como las sealadas en la figura siguiente.

Las fibras cortas suelen tener una orientacin aleatoria, para fibras continuas se

produce la orientacin anisotrpica deliberada.

Las fibras pueden disponerse como telas o tejidos o ser producidas en forma de

fibras largas. Tambin se puede cambiar la orientacin en las capas alternadas

de fibras largas.

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Comparacin de mdulo especfico y resistencia especfica de materiales metlicos y compuestos.

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5.- Materiales electrnicos:

Compuestos de sustancias inorgnicas en base al silicio y germanio.

Tipo de enlace interatmico: Covalente conformando estructura cristalina del tipo metlico.

Tienen propiedades de semiconductividad o conductividad condicionada.

Ejemplos: Diodos, chips, tiristores en industria electrnica.

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4.- Seleccin de materiales en ingeniera.

Cuande se pretende disear un nuevo producto o mejorar uno existente, es necesario elegir sus materiales contituyentes de una manera racional, teniendo en cuenta todos los factores que influyen el el producto final as como en su ciclo de vida:

PROPIEDADES DISPONIBILIDAD COSTES DE LA MATERIAS PRIMAS Y DEL PROCESO DE FABRICACIN IMPACTO SOBRE EL MEDIO AMBIENTE RECICLADO DE RESIDUOS CONDICIONANTES DEL CONSUMIDOR, ETC.

Estas exigencias pueden agruparse en tres categorias:

1. CIENTIFICO-TECNOLGICAS.2. ECONMICAS.3. SOCIO-ECOLGICAS.

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UTILIZACION DE MATERIALES: ETAPAS

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Problem: Select suitable material for bicycle frame and fork.

Steel and alloys

WoodCarbon fiber Reinforced

plastic

Aluminumalloys

Ti and Mgalloys

Low cost but Heavy. LessCorrosionresistance

Light and strong. ButCannot be

shaped

Very light and strong. No corrosion.

Very expensive

Light, moderatelyStrong. Corrosion

Resistance.expensive

Slightly betterThan Al

alloys. But muchexpensive

Cost important? Select steelProperties important? Select CFRP

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