Nano cap 1 JAPA

CAPITULO1

Introducción a la Ciencia de los Materiales

Materiales ?

Webster Diccionario “Los materiales son sustancias fisicas con las que algo esta

compuesto o hecho.”

Fahlman: “Any (solid-state) component … that may be used to address a current or

future societal need”

Materiales ?

“A material has properties which give it a particular useful application, either structural, as with a building material, or functional, as with materials used to make devices (electronic, optical or magnetic)”

“Material versus Chemical Substance:The properties of a material emerge from the way these sub-units are put together. Whilst a single molecule will have properties related to its chemical structure which remain constant, the properties of a material are dependent on how its sub-units are assembled.”

The Royal Society for Chemistry (RSC) (Sept 12, 2006)

De que son constituidoslos Materiales ?

We obtain materials from earth crust (corteza) and atmosphere.

Examples : Silicon, Aluminium and Iron constitute

27.72, 8.13 and 5.00 % of weight of earths crust, respectively.

Nitrogen and Oxygen constitute 78.08 and 20.95 percentage of dry air by volume respectively.

Como describir un Material ?

Composición: corresponde al contenido químico de un material.

Estructura: corresponde a la descripción del arreglo de los átomos (o iones) en un material incluyendo su microestructura (y a veces su macroestructura… mas tarde).

Síntesis y Procesamientos: Síntesis: el proceso desde lo cual materiales son

hechos a partir de sustancias naturales o artificiales (reactivos químicos).

Procesamientos: las diferentes formas de elaborar (darle o poner en forma) materiales en componentes útiles o de cambiar sus propiedades.

Influencia mutual de los 3 componentes sobre propiedades y desempeño

Estructura

Sintesis y procesamiento

Composicion

Desempeño

Costo

http://img221.imageshack.us/img221/9476/cienciaeingenieriadeloshs5.jpg

Estructura

Sintesis y procesamiento

Composicion

Desempeño

Costo

Influencia mutual de los 3 componentes sobre propiedades y performancia

1- Alta resistencia2- Que se conforme facilmente a contornos aerodinamicos3- Laminas delgadas y ligeras (disminuir consumo de gasolina)4- Capaces de absorber energia (choque)

Estructura


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Estudio de caso – seleccion de un material

• Problema: Seleccionar el material adecuado para el marco y tenedor de una bicicleta.

Steel and alloys

Wood Carbon fiber

Reinforcedplastic

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



• Problema: Seleccionar el material adecuado para el marco y horca de una bicicleta.

Steel and alloys

Wood Carbon fiber

Reinforcedplastic

Aluminumalloys

Ti and Mgalloys



shaped


Very expensive








• Problema: Seleccionar el material adecuado para el marco y horca de una bicicleta.

Steel and alloys

Wood Carbon fiber

Reinforcedplastic

Aluminumalloys

Ti and Mgalloys



shaped


Very expensive






Estructura ↔ Propiedades

Ciencia = estudio de esta relacion

Ingenieria= uso de este conocimiento para convertir un material en producto

Sintesis y Procesamiento

↨

↨

Desempeño/Comportamiento

Ciencia y Ingenieria de los materiales

Ciencia de los materiales = conocimiento básico de los materiales (estructura interna, procesos, propiedades)

Ingeniería de los materiales = conocimiento aplicado de los materiales

Ciencia y Ingeniería de los materiales = conocimiento resultante de la estructura, propiedades, elaboración y comportamiento de los materiales de ingeniería


DIFERENTES NIVELES DE ESTRUCTURA

EN LOS MATERIALES ?


Arreglo/ordenamiento atómico (Å<d<nm)

Estructura atómica (d<ångström (Å))

cristalino amorfo


HSS acero (multifasico)

La Microstructura corresponde por definicion a la estructura del material que revela un aumento (microscopio) de mas de x25.En practica, permite caracterizar el numero de fases presentes, sus proporciones y como son distribuidas (incluye nociones de tamaño y forma de granos)

Microestructura (nm<d<0.1mm)

Acero (monofasico)htt

p:/

/ww

w.a

rcelo

rmit

tal.co

m

meta

llurg

yfo

rdum

mie

s.co

m


Estructura a la escala macroscópica (que se puede distinguir al ojo)Corresponde entre otro a los recubrimientos (pinturas, anticorrosión, esmalte…), defectos superficiales

Macroestructura (d>0.1mm)

http://www.sporten.cz


Mas definiciones…

Crystalline material is a material comprised of one or many crystals. In each crystal, atoms or ions show a long-range periodic arrangement.

Single crystal (monocristal) is a crystalline material that is made of only one crystal (there are no grain boundaries).

Grains (grano) are the crystals in a polycrystalline material.

Polycrystalline (policristalino) material is a material comprised of many crystals (as opposed to a single-crystal material that has only one crystal).

Grain boundaries (Fronteras de granos) are regions between grains of a polycrystalline material.

Ejemplo: 3 aluminas de mismo arreglo (corindon)

?

? ?

Ejemplo

Monocristal(Transparente)

Ceramica densa policristalina(translucida)

Ceramica policristalina con 5% porosidad (opaca)

Clasificación de los Materiales

(en los libros de C&I de los Materiales)

Clasificacion de los Materiales

(en los libros de C&I de los Materiales)

Metales y Aleaciones Cerámicas, Vidrios y vidrio-cerámicas Polímeros Semiconductores y materiales electrónicos Compuestos Nanomateriales


Metales y Aleaciones

Compuestos de uno o mas elementos metalicos. Ejemplos: Hierro, Cobre, Aluminio.

Puede combinarse con elementos no metalicos.

Ejemplo: aceros (Fe-C)

Inorganicos y tienen una estructura en general cristalina.

Buenos conductores electricos y termicos (estructura de banda con una banda parcialmente llena). Opacos al visible.

En general, alta resistencia y ductilidad/maleabilidad (plasticidad)

Se distinguen las aleaciones ferrosas (aceros…) de las no-ferrosas (Cu, Al, Mg…)

http://www.bikar.org

http://losmetales-mtbn.blogspot.com/


Mecánica de materiales... cuestión de términos

Elasticidad/plasticidad:

Comportamiento clasico de un metal

Maleabilidad: capacidad a ser deformado en todas las direcciones para convertirse en capas delgadas (ej. Martillado)

Ductilidad: capacidad a ser deformado por estiramiento, doblado, torcido… Ductil => Maleable. Contrario=Fragil.

(pendiente=Emodulo de Young = Rigidez)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d7/Stress-strain1-es.svg

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Ductility.svg


Mecánica de materiales... cuestión de términos

Tenacidad: resistencia de un material a desformarse o a romperse cuando se le aplica un esfuerzo (relacionado con la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura - ensayo de choque).

Dureza: propiedad que tienen los materiales de resistir el rayado y el corte de su superficie. La dureza refleja, de alguna manera, su resistencia a la abrasión.

Resistencia: sin precision, incluye un poco todo…Resistencia a la traccion: punto el mas alto=esfuerzo maximo que conduce a la rotura.


Ceramicas y Vidrios

Elementos (semi)metalicos y no-metalicosenlazados quimicamente entre si.

Inorganicos pero pueden ser cristalinos,no-cristalinos o mezclas de los dos.

2 categorias: ceram. tradicional y avanzada

Alta dureza, resistencia al calor (refractarios, Tf) alto) y resist. al desgaste…

…pero fragiles.

Generalmente aislantes (cf. hornos para fundir metales).

Otras aplicaciones: Abrasivos, materiales de construccion, motores, herramientas de corte, protesis, dielectricos, nuevas energías,… Ejemplo: Porcelana, vidrio, nitruro, carburo o oxido de silicio, todos oxidos…

http://www.mcse.fr/ceramique.htm

http://bbrice.eu/


Materiales Polimericos (Plasticos)

Moleculas organicas gigantes (macromoleculas). Generalmente no-cristalinas pero algunas

son mezclas de regiones cristalinas y no-cristalinas. Malos conductores de electricidad y de hecho

utilizados como aislantes. Resistencia y ductilidad varian mucho. Densidad y temperatura de descomposicion bajas.

Mezclas (aleaciones) utilizadas para ajustar ppdades. Ejemplos: Policloruro de vinilo (PVC),

Polyester. Aplicaciones : Embalaje y construcción, en

reemplazo de metales, vidrio, papel. Resinas, textiles, artículos de deporte, revestimientos…

http://www.ndt-ed.org

http://www.themolecularuniverse.com/


EPOXI y KEVLAR

Epoxi – copolimero termoestable* que se forma a partir de la reacción

entre 2 reactivos: resina epoxi (poliepóxido) y activador/endurecedor

poliamine (TETA=trietilenetetramine).

Kevlar – poliamida (como el nailon) con grupos aromaticos= aramida

altamente cristalina (termoplástico). Altamente resistente a los

solventes y a la temperatura (no se funde debajo de 500°C).

*contrario de termoplástico como PE, PP, PS, PMMA, PVC, PET, PTFE

politetrafluoetileno, nailon. http://www.ndt-ed.org


Compuestos

Combinación “artificial” de 2 o mas materiales distinguibles

físicamente y separables mecánicamente (fases químicamente

distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una

interfase) cada uno conservando sus propiedades distintas para

crear un nuevo material con ppdades que no se podrían alcanzar

con los constituyentes por separado (sinergia).

rigidez, resistencia, peso, resistencia a la corrosión, dureza,

conductividad, …).

No son compuestos aquellos materiales polifásicos, como

ciertas aleaciones, que se forman por un proceso “natural”

(CALLISTER), y en las que mediante un tratamiento térmico se

cambia la composición de las fases presentes. http://www.ndt-ed.org


Compuestos Generalmente consisten en una matriz (fase continua) y un material de

relleno (fase dispersa).

2 tipos principales: fibroso o particulado:

Ejemplos: - poliester o epoxi reforzado con fibras de vidrio.

- Hormigón (cemento + áridos (grava, arena,…) + agua)

- algunos naturales (madera = fibras de celulosa +

matriz de lignina, hueso = colágeno + apatita + agua)

Existe tambien comp. estructurales=laminares (como madera

contrachapada) o paneles sandwich (2 placas de metal o plastico

reforzado + polimero espumoso, caucho, balsa, cemento…).

Aplicaciones: piezas mecánicas, construcción.


Materiales electronicos (semiconductores)

No son mayoritarios en volumen pero importante en el mundo actual.

Silicio es el material el mas común. Sus propiedades eléctricas pueden cambiar agregando

impurezas (transistor = unión npn o pnp). Ejemplos: chips=millones de transistores. Aplicaciones: Computadores, Circuitos integrados, ...

http://www.hubbardhall.com/http://www.ami.ac.uk

Functional Classification of Materials

Aerospace Biomedical Electronic Materials Energy Technology and Environmental Technology Magnetic Materials Photonic or Optical Materials Smart Materials Structural Materials

CLASIFICACIÓN FUNCIONAL DE LOS MATERIALESAeroespacialesMateriales compuestos C-C, silicio amorfo, aleaciones de Al

BiomédicosHidroxiapatita, aleaciones de titanio, aceros inoxidables

ElectrónicosSi, GaAS, Ge, BaTiO3

Tecnología de energía y ambienteUO2, Ni-Cd, YSZ, LiFePO4

MagnéticosFe, Fe-Si, NiZn y ferritas entre otros

ÓpticosSiO2, GaAs, vidrios, YAG, ITO

InteligentesPZT, Aleaciones de Ni-Ti con memoria de forma, gel polímeros

EstructuralesAceros, aleaciones de aluminio, concreto, plástico reforzado, madera

CLASIFICACIÓN DE LOS

MATERIALES FUNCIONALES

33

Stent arterial auto-expandible

34

Efectos del Medio Ambiente sobre las propiedades

Los siguientes factores pueden afectar las propiedades de un material, importante a tomar en cuenta en el diseño de componentes:

Temperatura Composición del Medio Ambiente - gases o líquidos

(Corrosión) Fatiga=fenómeno que conduce a la fractura de un

material sometido a esfuerzos repetidos cuya resistencia es inferior a la resistencia máxima del material

Velocidad de deformación

35

© 2003 B

rooks/Cole P

ublishing / Thom

son Learning™

36

Enough para la introduccion!

Materiales ?

Vehículos todo terreno Spirit y Opportunity(robots geólogos que fueron mandado a explorar a Marte)

Spirit y Opportunity son hechos de materiales tal como:* Metales * Cerámicas * Compuestos * Polímeros * Semiconductores

www.nasa.gov


Porque es importante estudiar los Materiales?

• Desde los tiempos muy antiguos (edad de piedra, después de bronce, de hierro…), la producción y el proceso/elaboracion de los materiales hasta convertirlos en productos terminados constituye una parte importante de nuestra sociedad y economía.

• Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos manufacturados y los sistemas de elaboración necesarios para su producción. Para fabricar productos, se necesita escoger materiales conociendo su estructura interna y las propiedades relacionadas, de tal manera que puedan elegir los mas adecuados para cada aplicación y crear los mejores métodos para procesarlos.


Porque es importante estudiar los Materiales?• Los ingenieros de diseño usan materiales actuales,

modificados o nuevos para diseñar y crear nuevos productos y sistemas.

• Los ingenieros en materiales saben modificar o estudian como modificar las propiedades de los existentes: Ejemplo: efecto de un tratamiento térmico.

• Los ingenieros expertos en investigación y desarrollo crean nuevos materiales: Ejemplos: - Transporte publico de alta velocidad: crear un

material que soporte de hasta 1800°C (12 a 25 Mach !!). - Estación Espacial Internacional y vehículos

todo terreno deben sostener condiciones espaciales (alta velocidad, bajas T°, resistente pero livianos).


FORMABILIDAD

Se define “Formabilidad” de una chapa, como su capacidad para deformarse por un proceso específico de conformado, desde su forma original plana hasta la pieza final, sin que se presente falla en el material, ya sea por fractura o estricción; es decir, la facilidad de un material para sufrir deformación plástica sin defectos. Los criterios de falla o ejecución son: Estricción localizada, Fractura y Arrugamiento. La Formabilidad es una situación compleja, ya que en su descripción intervienen diversos factores, que interactúan simultáneamente durante el proceso de conformado de una pieza, estos son: el material de la chapa, el proceso en sí, y la forma y acabado final deseado; que a su vez dependen de diversos parámetros.

DIAGRAMAS LÍMITE DE CONFORMADO M en C. Alfonso Campos Vázquez*, M en C. Alejandro Escamilla Navarroº, Dr. En C Jesús Silva Lomelíº, M en C Antonio González Lópezº. *INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL, UPIITA México.

8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA (PUC, Peru)

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