ciencia materiales

1

Ciencia de los Materiales

Prof. Aquiles Seplveda O.

Ing. Civil Mecnico (U. de Chile)

Dr.-Ing. en Metalurgia (U. de Paris VI)

Departamento de Ingeniera Mecnica

Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas

Universidad de Chile

(Of. 411, 4 piso, Torre Central)

Ciencia de los Materiales

Trata de la RELACIN entre la microestructura y propiedades de los

materiales, y de cmo stas son afectadas

por los procesos.

Procesos tanto de fabricacin del material como de

componentes a partir de l; tambin influyen las

condiciones de servicio.

2

Estilo del Curso

Esta asignatura de Ciencias de la Ingeniera, va desde principios fsico-qumico hasta la explicacin del comportamiento de los materiales, teniendo en perspectiva las aplicaciones.

Principalmente corresponde a un tratamiento semicualitativo, con un desarrollo lgico estricto, en el cual se conjugan variadas consideraciones.

Hay que evitar saltarse pasos lgicos de los raciocinios

Preguntas Introductorias (1)

1. Considere la siguiente clasificacin bsica de familias (tipos) de materiales:

Polmeros, Metales y Cermicas.

Clasifique los siguientes materiales:

baldosas, kevlar, acero, ladrillos,

aleaciones de titanio, vidrio de ventana,

polietileno.

3


2. Qu entiende por el material denominado usualmente fibra de vidrio?

A qu familia de materiales pertenece?

Superficie de fractura: matriz polimrica

reforzada con fibras de vidrio. Dimetro de las fibras 5 um, aprox.

4

Materiales Compuestos

La mayora corresponde a una matriz

reforzada por fibras (partculas o placas).

Otro ejemplo: matriz cermica y fibra

metlica.


3.

a. Qu acero prefiere: uno dctil (y relativamente blando) o uno duro (y relativamente frgil)?

b. Muchos estanques industriales se fabrican de acero inoxidable o bien de fibra de vidrio. Cul material preferira usted? Haga explcito su criterio de seleccin.

5

Competencia entre materiales: peso, costo, resistencia a la

corrosin y a altas temperaturas, moda, etc.

Caso recipientes de presin.

Izq.: Para aplicaciones tradicionales, de acero,

Der.: Para aplicaciones aeroespaciales, fabricado con un polmero reforzado con fibras de poliamida aromtica.


4. De qu manera se puede determinar

la composicin de la corteza del Sol?

6

Espectros de emisin de los

elementos

Explicacin de los

espectros. Caso H Bohr fue el primero en

calcular las energas E de los electrones en los orbitales atmicos del H.

Bohr aprovech un resultado de la Mecnica Cuntica (efecto fotoelctrico)

Y explic el espectro del H, considerando saltos electrnicos y emisin de luz

7

Los espectros de emisin (y

absorcin) atmica

Son fuentes de informacin de los niveles electrnicos en tomos y compuestos.

Se utilizan para anlisis qumico, por un mtodo fsico.

- Los colores son como una huella digital de cada elemento

- El rea bajo un mximo dado crece al aumentar la

cantidad relativa del elemento respectivo.

(Calibracin cuantitativa)

Otra pregunta (5)

5. Qu tipo de materiales son los ms

utilizados por la humanidad?

8

Qu tipo de materiales son los ms utilizados por la

humanidad? Por qu?


1. Considere la siguiente clasificacin bsica de familias

(tipos) de materiales: Polmeros, Metales y Cermicas.

Clasifique los siguientes materiales: baldosas, kvlar,

acero, ladrillos, aleaciones de titanio, vidrio de ventana

y polietileno.

6. Haga explcito su criterio para responder

la pregunta 1.

9


7. A qu se debe la buena (mala)

conductividad elctrica de los

materiales metlicos (cermicos)?

Preguntas Introductorias

8. Menciones ejemplos de estructuras. En

general, qu entiende por estructura?,

qu se requiere para describir una

estructura?

9. Suponga que tiene los ingredientes para

preparar una comida. De qu manera

el resultado depende del proceso de fabricacin?

10

La Materia y sus Estados

La materia est formada por tomos (estructuras de tomos)

En este curso nos limitaremos a la materia slida.

Diccionario RAE:

Materia: realidad primaria de la cual estn hechas las cosas

Material: perteneciente o relativo a materia

Triloga bsica de la

Ciencia de los Materiales ESTRUCTURA

PROCESOS PROPIEDADES

Palabra clave: RELACIONES

La Estructura incluye el tipo de tomo y cmo

estos estn organizados (incluyendo enlaces y

defectos de ordenamiento).

La Ingeniera de Materiales incorpora un cuarto

trmino que es el Comportamiento en Servicio

(Performance). Al responder en las pruebas, es muy importante hacer

presente las relaciones necesarias .

11

TEMARIO (1)

Introduccin

Estructura electrnica de los tomos: ncleo atmico, modelo y orbitales

electrnicos, y electronegatividad

Enlaces primarios y secundarios. Familias de materiales: enlaces y propiedades.

Estructura cristalina y defectos cristalinos

12

Enlace (covalente) y Orden del

Carbono en el Diamante (Carbono, no carbn)

Celda cristalina

del C diamante

Cristal: es un slido cuyos tomos estn ordenados peridicamente.

Los cristales reales presentan defectos cristalinos, los cuales son una factor

adicional de la estructura. Ellos no son necesariamente lesivos para efectos de las

propiedades de inters en ingeniera.

ORDEN ATMICO, un factor de la estructura, que

controla las propiedades.

Existen los slidos amorfos y los cristales hay

defectos cristalinos.

Fracturando un monocristal de NaCl por

clivaje

Modelo atmico de un cristal de NaCl

Enlace inico: Na+Cl-

13

TEMARIO (2)

Equilibrio qumico. Equilibrio estable y metaestable

Diagramas de equilibrio (binarios)

Algunas aleaciones de ingeniera. - Aceros al Carbono

- Duraluminios

Electrones en slidos: modelo de electrones en una caja y teora de bandas. Conductores, aisladores y semiconductores.

FIN TEMARIO

Bibliografa.

Ciencia e Ingeniera de los Materiales. W.F. Smith, McGraw-Hill, Espaa. Traduccin de la 4a edicin en ingls (2004). Captulos: 1-4. (Palo de golf)

Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales, William D. Callister Jr., Revert, Barcelona, 3 ed.

Apuntes y lecturas entregados/sugeridos por el Profesor.

14

Evaluacin

Controles: 3 controles.

Controles de Lectura (4 o 5) y eventualmente tareas (1). Se elimina 1 nota de las anteriores y as se obtiene una Nota Promedio de Controles de Lectura, NCL.

La Nota Final, NF, se obtiene as:

NF = 0,5*NC + 0,5*NCL

Evaluacin (2/2)

En el acta NC y NCL deben ser iguales o superiores a 4,0, segn Reglamento General.

La nota NCL vale un 50% y no se relaciona con el Examen.

15

Primeras Evaluaciones CL1A (40%) Jueves de la Segunda

semana. Introduccin hasta

electronegatividad.

CL1B (60) Cuarta semana

CL2 Quinta semana

C1 Sexta semana

Los Controles de Lectura se definen por la

materia que va entrar.

Incluye la materia y los apuntes de clases, los

apuntes de U-curso (que pueden ser los

mismo de clases), y la lectura indicada del

texto de Smith.

Prcticamente todos lo mircoles habr

actividad en el curso, ya sea lectiva o

controlada. Las escasas excepciones se

informarn por U-cursos.

16

Algunos Tpicos

del Captulo 1 del Texto de Smith

Seleccin, Uso, Investigacin y

Desarrollo Tareas habituales de los ingenieros son:

- seleccionar un material para un diseo o uso dado

- luego fabricar un componente con ese material

- y utilizar ese componente dado.

Ocasionalmente, deben solicitar que les creen un nuevo material. As, a veces, la necesidad es previa a la existencia del material, el cual debe ser desarrollado por especialistas.

Otra tarea: anlisis de fallas

17

Algunos Nuevos

Requerimientos/Materiales Ing. Mecnica:

Materiales refractarios para turbinas

Ing. Electrnica:

Semiconductores y superconductores

Ing. Aerospacial:

Mayor resistencia por unidad de peso

Ing. Qumica:

Mayor resistencia a la corrosin

Familias de Materiales Familias Bsicas:

Mats. Metlicos. Ej.: acero, cobre y latn 70-30.

Mats. Polimricos. Ej.: polietileno, tefln y PVC.

Mats. Cermicos. Ej.: loza, baldosas y ladrillos.

Otras:

Mats. Compuestos. Ej.: fibra de vidrio (FRG)

Mats. Electrnicos

Biomateriales

Etc.

18

Ciencia e Ingeniera de Materiales

Ciencia: conocimiento bsico

Estructura-Procesos-Propiedades

Ingeniera: conocimiento aplicado, considerando aplicaciones.

Incluye adicionalmente comportamiento

en servicio (performance).

Los lmites entre Ciencia e Ingeniera de Materiales son difusos.

ciencia materiales

Documents