CIENCIA DE LOS MATERIALES

¿Qué es ciencia de los materiales?

Física Química

Matemática Ingeniería

Aplicaciones

Ford T (1914) construido principalmente con acero

Porsche Panamera (2009) construido con aleaciones de aluminio, aceros aleados y partes de polímeros o magnesio

Aplicaciones

Sopwith Camel (1917), fuselaje construido con madera y metal.

A380, combinación de compuestos, aleaciones de aluminio y titanio, polímeros.

Aplicaciones

Los semiconductores son la base de la electrónica (micro-procesadores, micro-controladores, etc.)

Adaptado de Callister & Rethwisch

Materiales en la historia

Adaptado de Callister & Rethwisch

•1

Los materiales son estructuras diseñadas que debemos entender y estas estructuras tienen dimensiones

Característica Enlace atómico Imperfecciones

Estructura cristalina Cambio de fase

Textura

Dimensión (m) < 10-10

10-10

10-8 – 10-1

10-8 – 10-4

> 10-6

Dimensiones

Clasificación de los materiales (grupo principal)

Metales Polímeros

Compuestos Cerámicos

Clasificación de los materiales (grupo adicional)

Semi-conductores Naturales y bio-materiales

Micro- y Nano-materiales

Propiedades por clasificación

Propiedades por clasificación

Propiedades por clasificación

Propiedades por clasificación

Propiedades por clasificación

Enlaces atómicos primarios

Enlaces iónicos: Transferencia de un

electrón produciéndose iones. Enlace

atómico no direccional relativamente

fuerte.

Enlaces covalentes: Relacionado a

fuerzas interatómicas en donde se

comparten electrones para formar el

enlace con una dirección localizada.

Enlaces metálicos: Implica fuerzas

interatómicas relativamente grandes

creada cuando se comparten

electrones en forma no direccional.

+

+

+

+

+ + + + + + +

+ + + + + +

+ + + + + + +

+ + + +

+ + +

+ + + +

- - -

- - - -

- - -

• Enlaces predominantes en cerámicos

dan electrones reciben electrones

NaCl

MgO

CaF2

CsCl

Ejemplos de enlace iónico

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Enlace covalente

• Se comparten electrones • Electronegatividad similar

Comparte electrones con átomos de hidrógeno

Comparte electrones con los átomos de carbono

H

H

H

H

C

CH4

Ejemplo: CH4

C : tiene 4 valencias e-, necesita 4 mas H: tiene 1 valencia e-, necesita 1 mas Las electronegatividades son comparables

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Ejemplos de enlace covalente

• Moléculas en elementos no metálicos • Moléculas y elementos no metálicos • Solidos elementales (RHS) • Aleaciones sólidas (columna IVA)

H20

O2

F2

Cl2

SiC

GaAs

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Enlace metálico

• Se presenta en metales sólidos • Los átomos están ordenados de forma sistemática

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Enlaces secundarios

Resulta de la atracción de dipolos eléctricos (Enlaces de Van der Waals)

• Dipolo inducido (Van der Waals)

Distribución ideal

+

-

• Dipolo permanente – molécula inducida (polímeros)

- - -

- -

- - -

- - - - -

- - - -

- -

Distribución asimétrica (real)

+ -

-

- -

- -

-

- -

- - -

-

- -

- - -

- -

Átomo A

+ -

-

- -

-

- -

- -

-

-

-

- -

- -

- - -

-

Átomo B

+ -

-

- -

- - -

- -

- -

- -

-

-

-

- - -

-

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Resumen de enlaces

Tipo de enlace Iónico Covalente Metálico Secundario

Energía de enlace Alto Variable Diamante (alto) Bismuto (bajo) Variable Tungsteno (alto) Mercurio (bajo) Bajo

Comentarios No direccional (cerámicos) Direccional (semiconductores., cerámicos, polímeros) No direccional (metales) Direccional (inter-molecular)

Punto de fusión (TM) • Longitud de enlace, r

• Energía de enlace, Eo

• Punto de fusión, TM

TM es proporcional a Eo

ro r

Energía

r

alto TM

bajo TM

Eo = Energía de enlace

Energía

r0 r

Longitud inicial

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Coeficiente de expansión térmica (a) • Coeficiente de expansión termina, a

• Simetría alrededor de ro

a es inversamente proporcional a Eo

D L

Longitud original, Lo

T1

T2

ro

r

bajo a

alto a

Energía

longitud inicial

Eo

Eo

ΔLLo

= α (T2 – T1)

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• Módulo de elasticidad, E

E es proporcional a Eo

Módulo de elasticidad (E)

Sección Ao

DL

Longitud original, Lo

F deformada

F

Ao

=EΔL

Lo

r

alto E

bajo E

Energía

ro longitud inicial

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Resumen: Enlaces y propiedades

Cerámicos

(enlace Iónico & covalente):

Energía de enlace alto alto Tm

alto E bajo a

Metales

(Enlace metálico):

Energía de enlace variable moderado Tm

moderado E moderado a

Polímeros

(Covalente & Secundario):

Propiedades direccionales Domina los enlaces secundarios bajo Tm bajo E alto a

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Objetivos del curso

• Identificar, diferenciar y analizar las propiedades de los materiales metálicos, considerando su composición y su estructura cristalina.

• Analizar el efecto de la interacción de las fases y la micrografía en las propiedades físicas y mecánicas.

• Diferenciar el comportamiento de materiales isotrópicos y ortotrópicos.

Teoría Profesor: Daniel Akamine / César Mayor Horas: 3 horas / sesión Actividades: • Presentación de los materiales • Aviso de trabajo y asignaciones • Evaluación

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Laboratorio Instructor: Daniel Akamine / César Mayor Lugar: 1002 Objetivo: • Aprender de forma experimental acerca de los materiales, relacionando lo aprendido

en clase con observaciones • Formular de manera adecuada reportes y propuestas

Bibliografía • Callister, W. D. (2009), Ciencia e Ingeniería de Materiales, Limusa Wiley,

2da Edición. • Ashby, Michael F. (2005). Material selection in mechanical design, Elsevier,

3th Edition. • Askeland D. R. (2011), The Science and Engineering of Materials, Cengage

Learning, 6th Edition. • Shackelford, James F. (2007). Introducción a Ciencia de los Materiales para

Ingenieros, Pearson Educación, 6ta Edición.