Curso Ciencia de los materiales Facultad de ciencias

Curso: Ciencia de los materiales Facultad de ciencias económicas y administrativas Departamento de calidad y producción

�Docente: William Jaramillo Garzón �Email: wjaramig@gmail. com �Blog de Física: wjaramig. wordpress. com CCM 34 ¡Horario de atención: por definir!

Objetivos del curso �Ilustrar desde un punto de vista técnico y científico el comportamiento macroscópico de los materiales mas comunes a partir del conocimiento de la estructura interna de la materia �Ilustrar desde un punto de vista técnico y científico, las propiedades mecánicas y físicas de los materiales más comunes, a nivel macroscópico y microscópico

Objetivos del curso �Aprender a seleccionar los materiales de acuerdo a sus usos y aplicaciones ingenieriles, teniendo en cuenta el producto a elaborar y los procesos de manofactura.

Contenido resumido del curso �Introducción a la ciencia de los materiales y clasificación de los materiales. �Propiedades de los materiales �Estructura atómica y enlaces atómicos �Estructura cristalina �Procesamiento de materiales �Materiales y proceso de selección

Bibliografía �Smith, W. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales. 3ª edición. México: Mc. Graw Hill, 1996. �Callister, W, D. Materials science and engineering. México: John Wiley and Sons, 2007. �Askeland, D. Ciencia e ingeniería de los materiales. 3ª ed. México: Thomson, 1998.

Bibliografía �Shackelford, J, F. Introduction to materials science for engineers. 4ª ed. México: Prentice Hall, 1996. �Murray, G. Introduction to Engineering Materials. 2ª ed. Taylor & Francis Group, 2008. �Ashby, M. Materials Engineering, Science, processing and design. Elsevier Ltad, 2007.

Evaluación del curso �Inicio semestre: 04 de Febrero �Finalización: 01 de Junio � 1 examen (capítulos 1, 2, 3) 20% � 2 examen (capítulos 4, 5, 6) 20% � 3 examen (capítulos 7 y 8) 20% �Talleres (20%) �Proyecto final (20%) �Total (100%)

CONCEPTO DE MATERIAL �En ingeniería, un material es una sustancia con alguna propiedad útil, ya sea � mecánica, � Eléctrica, � Óptica, � Térmica o � magnética.

¿Qué es la ciencia de materiales e ingeniería?

Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales �La importancia de los materiales es probablemente mayor que lo que habitualmente se cree. �Prácticamente cada segmento de nuestra vida cotidiana esta relacionado en mayor o en menor grado por los materiales, como por ejemplo transporte, vivienda, vestimenta, comunicación, recreación, alimentación, entre otros. �El desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales requeridos para satisfacer sus necesidades

Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales

Evolución de los materiales a través de la historia � Las primeras civilizaciones se conocen por el nombre del material que alcanzo mayor grado desarrollo (p. ej. Edad de piedra, edad de bronce, etc. ). � La utilización de los materiales era totalmente un proceso de selección. El hombre primitivo solo tubo acceso a un numero muy limitado de materiales, que encontró en la naturaleza: piedras, arcilla, cuero y pocos mas. � Desde hace no muchos años se habla de la relación entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Un conocimiento que sea ido solidificando con el pasar de los años y es base fundamental para modificar o adaptar las características de los materiales.

�El avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del progreso de una tecnología �El progreso de muchas tecnologías aumenta la confortabilidad de nuestra existencia

Evolución de los materiales a través de la historia

Cronología de los materiales en la humanidad

Clasificación de los materiales

METALES Y SUS ALEACIONES � Incluye claro elementos metálicos de la tabla periódica y las aleaciones que se pueden dar entre ellos, las cuales son particularmente útiles en diseños estructurales. � La combinación de metales constituyen las aleaciones y dada su utilidad son más usadas que los elementos puros. � Ejemplos: aceros, aluminios, cobres, titanio. Etc.

CERÁMICOS, VIDRIOS Y VIDRIOCERÁMICOS El ladrillo, el vidrio, la porcelana, etc. � poseen baja conductividad eléctrica y térmica � se emplean con frecuencia para aislar � sus propiedades mecánicas son de gran variedad, puesto que ya existen cerámicos para soportar cargas

POLÍMEROS Y PLÁSTICOS � Se conocen como grandes estructuras moleculares generadas por una pequeña matriz, denominada monómero, de carácter orgánico. � Entre los más clásicos se incluye el hule, los plásticos y los adhesivos. � Poseen baja conductividad eléctrica y térmica y no han sido diseñados, aún, para soportar cargas.

� Polímeros Termoplásticos: Poseen largas cadenas moleculares, las cuales no están conectadas de manera rígida, poseen buena ductilidad y conformabilidad. �Polímeros Termoestables: Son más resistentes aunque más frágiles, debido al fuerte enlace entre sus cadenas.

SEMICONDUCTORES � Son generalmente frágiles, de gran aplicación en la electrónica, debido a que la conductividad eléctrica puede controlarse para el uso o aplicación. � Son ideales pueden convertir señales eléctricas en luz y viceversa. � Germanio, Galio, Arseniuro de Galio

MATERIALES COMPUESTOS Se generan a partir de dos o más materiales, con el objeto de generar propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales que los generaron, entre los más clásicos se tiene: � El concreto, � la madera comprimida, � la fibra de vidrio, etc.

PROPIEDADES MECÁNICAS Y FÍSICAS � MECÁNICAS: Describen la respuesta de un material a la aplicación de fuerzas o cargas externas. � FÍSICAS: Comprenden el comportamiento eléctrico, óptico, magnético, químico, etc.

Ejemplos representativos, aplicaciones y propiedades para cada categoría de materiales Ejemplo de aplicación Metales y aleaciones Fundición gris Bloques de motor para automóvil Cerámicos y vidrios Si. O 2 -Na 2 O-Ca. O Vidrios para ventanas Polímeros Polietileno Empaque de alimentos 29 Propiedades Fundible, maquinable, amortigua vibraciones Transparente, aislante térmico Fácilmente moldeable en películas delgadas, flexible y hermético

Continuación Ejemplos de aplicación Semiconductores Silicio Transistores y circuitos integrados Materiales Compuestos Carburo de Herramientas de corte Tungsteno cobalto (WC-Co) 30 Propiedades Comportamiento eléctrico único Alta dureza pero buena resistencia al choque

Relación Microestructura - Propiedades MICROESTRUCTURA PROPIEDADES DESEMPEÑO PROCESAMIENTO

Relación Microestructura - Propiedades 1. 2. 3. 4. COMPOSICIÓN: Constitución química de un material. ESTRUCTURA: Arreglo atómico de los componentes. SÍNTESIS: Forma o manera de fabricar el material a partir de los elementos aportados por la naturaleza o por el hombre. PROCESAMIENTO: Indica el modo en que se conforman los materiales en componentes útiles para causar cambios en propiedades de otros materiales

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Resistencias representativas de diversas categorías de materiales. 33

Corte de un motor de un cohete. La sección delantera es de compresión y opera a temperaturas bajas a intermedias, y con frecuencia se usan partes de titanio. La sección trasera es de combustión y opera a temperaturas altas; requiere superaleaciones base níquel. La cubierta externa está sometida a bajas temperaturas, y son satisfactorios los materiales compuestos y las aleaciones base aluminio. (Courtesy of GE Aircraft Engines. ) 34 Diversidad de partes complejas de cerámica, incluyendo impulsores y sus álabes, permiten que las turbinas funcionen más eficientemente a temperaturas mayores. (Courtesy of Certech, Inc. )

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ La polimerización se produce cuando moléculas pequeñas, representadas por las esferas, se combinan para producir moléculas más largas o polímeros. Las moléculas de polímero pueden tener una estructura formada por muchas cadenas, enredadas pero no unidas (termoplásticos) o pueden formar redes tridimensionales cuyas cadenas tienen enlaces cruzados (termoestables). 35

Los polímeros se usan en una diversidad de dispositivos electrónicos, como estos interruptores de palanca para computadora, donde se requiere resistencia a la humedad y baja conductividad. (Courtesy of CTS Corporation. ) 36 Los circuitos integrados para computadora y otros dispositivos electrónicos se basan en el comportamiento eléctrico exclusivo de los materiales semiconductores. (Courtesy of Rogers Corporation. ) El ala en X para los helicópteros avanzados es de un material compuesto por un polímero reforzado con fibra de carbono. (Courtesy of Sikorsky Aircraft Division—United Technologies Corporation. )

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Aplicación del tetraedro a los aceros laminados para chasis de automóvil. Observar que la microestructura – síntesis y el procesamiento – composición se interconectan entre si y afectan la relación desempeño – costo. 37

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Normalmente el aumento de temperatura reduce la resistencia de un material. Los polímeros sólo son adecuados para bajas temperaturas. Algunos materiales compuestos, como los de carbono, las aleaciones especiales y los cerámicos, tiene propiedades excelentes a altas temperaturas. Corrosión, fatiga, rapidez de deformación. 38

Selección de materiales

Tendencias en el uso de materiales