Tema1

M Luisa Blzquez Dpto. Ciencia de Materiales e Ingeniera Metalrgica

Facultad de CC. Qumicas, UCM [email protected]

CIENCIA DE MATERIALES

TITULACIN: Grado en Ingeniera Qumica CRDITOS : 6 CARCTER: Obligatoria MATERIA: Ciencia de materiales MDULO: Ingeniera industrial DEPARTAMENTO: Ciencia de los Materiales e Ingeniera Metalrgica

CIENCIA DE MATERIALES

Campo multidisciplinar que se dedica al estudio de la estructura, las

propiedades, el procesado y las aplicaciones de todo tipo de

materiales:

- Estructurales:

Metlicos, cermicos, polmeros, materiales compuestos

- Funcionales:

Electrnicos, magnticos, pticos, nanomateriales, biomateriales,

Qu es la Ciencia de Materiales?

Todo lo que nos rodea est hecho de materiales Se necesita formar

profesionales capaces de seleccionar, disear y desarrollar materiales

con propiedades adecuadas para satisfacer las necesidades de la

industria y de la sociedad

GUA DOCENTE

Conocer y comprender los fundamentos de la Ciencia de los

Materiales a travs del estudio de la relacin entre la estructura y

las propiedades de los materiales

Objetivos especficos

Conocer las propiedades de los Materiales que agregan valor

tecnolgico e industrial y el fundamento fsico-qumico de las mismas

Conocer los materiales de inters tecnolgico e industrial y su

importancia. Saber relacionar las propiedades con la microestructura

Objetivo de la asignatura

1. Introduccin. Clasificacin de los materiales

2. Estructura cristalina de los metales y sus defectos

3. Estructura de las aleaciones. Diagramas de equilibrio

4. Difusin

5. Solidificacin

6. Propiedades mecnicas de los materiales

7. Transformaciones en estado slido

8. Materiales metlicos

9. Materiales polimricos

10. Materiales cermicos

11. Materiales compuestos

12. Seleccin e inspeccin de materiales

13. Corrosin y degradacin de materiales

PROGRAMA

Fundamentos

Aplicaciones

PRCTICAS

1. Caracterizacin microestructural de metales y aleaciones

2. Ensayos mecnicos

3. Ensayos no destructivos

PROGRAMA

Callister W. Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de los Materiales, Tomos I y II.

Ed. Revert, S.A., 1996

Smith W. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de Materiales. McGraw-Hill, 5 ed.

2014

Shackelford, J.F. Introduccin a la Ciencia de Materiales para Ingenieros.

Prentice-Hall, Inc., 7 ed. 2010

Askeland D. La Ciencia e Ingeniera de los Materiales. Thomson Editores, 4 ed.

2008

Ciencia e Ingeniera de los Materiales. J.M. Montes, F.G. Cuevas y J.

Cintas. Ed. Paraninfo. 2014.

Ashby M.F. y Jones R.H. Materiales para la Ingeniera Vol 1 y 2. Ed. Revert, 2009

(Apndice 1: Aprenda por s mismo diagramas de fase)

Univ. of Cambridge. http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/index.php

BIBLIOGRAFIA

Reconocer cules son los materiales de inters en ingeniera y relacionar las propiedades de los materiales con su estructura atmica, molecular y cristalina.

Describir e interpretar la importancia de las imperfecciones cristalinas en el comportamiento de los materiales metlicos y reconocer la importancia de las dislocaciones en los fenmenos de deslizamiento.

Utilizar los diagramas de equilibrio como base del conocimiento de las transformaciones microestructurales que se producen en las aleaciones.

Reconocer la importancia de la difusin y de los procesos de nucleacin y crecimiento en la solidificacin y en las transformaciones en estado slido de los materiales.

Reconocer la importancia del comportamiento mecnico de los materiales y las causas que provocan su fractura en servicio.

RESULTADOS DEL APRENDIZAJE

Describir e interpretar los ensayos usados para medir las propiedades mecnicas utilizadas en la seleccin de los materiales en funcin de sus aplicaciones.

Conocer la importancia de las transformaciones en estado slido para modificar la microestructura y utilizar los diagramas temperatura-tiempo-transformacin para predecir los microconstituyentes en los aceros.

Clasificar las aleaciones metlicas y reconocer sus principales caractersticas.

Conocer las principales caractersticas de los materiales cermicos, de los polmeros y de los materiales compuestos.

Conocer los principales tipos de corrosin de los materiales metlicos y los principales mtodos de ensayos no destructivos usados para detectar defectos

en materiales.

RESULTADOS DEL APRENDIZAJE

Actividades presenciales

Clases de teora - Exposicin de los contenidos de los temas - Material de clase en el Campus Virtual

Seminarios (fechas en calendario del CV) - Resolucin de problemas y ejercicios propuestos previamente

Prcticas en el laboratorio (fechas en calendario del CV) - Realizacin de las prcticas y presentacin de un informe de resultados Grupo A1: 8-9 Enero

Grupo A2: 22-23 Enero

Tutoras programadas (fechas en calendario del CV) T1: 27 y 28 Noviembre T2: semana del 15 al 19 de diciembre

METODOLOGA

Participacin obligatoria en las actividades presenciales Clases tericas, seminarios, prcticas y tutoras programadas en aula

Control de la asistencia

Para la evaluacin continua La participacin en las actividades programadas debe ser > 70 %

Todas las actividades se evalan (Gua docente)

Exmenes escritos: 75%

Examen parcial liberatorio en noviembre

Examen final en febrero

Examen Extraordinario en septiembre

Actividades dirigidas y seminarios: 10%

Prcticas de laboratorio: 15%

CRITERIOS DE EVALUACIN

CRITERIOS DE EVALUACIN

Calificacin final

NFinal = 0.75NExamen + 0.15Laboratorio + 0.1NOtras Activ (Semin/Tutoras)

Nexamen = 0,4 x NEx Parcial + 0,6 x NExFebrero

Para aprobar la asignatura:

(a) Es necesario obtener una nota global igual o superior a 5.

(b) En los exmenes es necesario obtener una nota mnima de 4 para poder determinar la nota global.

1 Parcial 25 noviembre 2013 (en hora y aula de clase)

Liberatorio: Si se aprueba no es necesario examinarse de esa parte en febrero

Final 6 febrero 2014, 12h, aula QC23

Convocatoria extraordinaria 14 septiembre, 12h, aula QC01

Horario de TUTORAS: para consultar de dudas)

Martes y Jueves de 12 a 15 h Despacho QA232: Edificio A, 2 Planta

CAMPUS VIRTUAL

Material de clase, calendario, e-mail, calificaciones, convocatorias, avisos

Exmenes

Consejos

Dpto. Ciencia de Materiales e Ingeniera Metalrgica. UCM Prof. M Luisa Blzquez

Aptitud frente a la asignatura

Positiva y crtica para aprender

Planificar el estudio y trabajar cada da

Aprovechar las tutoras para resolver las dudas cuando surgen, no esperar a los das anteriores al examen

Presentar todos los trabajos y problemas o actividades propuestas

Normas de comportamiento

Puntualidad para poder respetar los descansos entre clases

Respeto al profesor y a los compaeros

Es un privilegio estudiar en la Universidad aprovechad esta oportunidad

1.1. Breve perspectiva histrica

1.2. Clasificacin de los materiales

1.3. Propiedades generales

1.4. Relacin entre estructura, propiedades y procesado

TEMA 1. Introduccin. Clasificacin de los materiales

Campo multidisciplinar que se dedica al estudio de la estructura, las

propiedades, el procesado y las aplicaciones de todo tipo de

materiales:

- Estructurales: Se seleccionan por sus propiedades mecnicas

Metlicos, cermicos, polmeros, materiales compuestos

- Volumen de produccin grande

- Funcionales: Se utilizan por otras propiedades ms especficas

Electrnicos, magnticos, pticos, nanomateriales, materiales inteligentes

- Volumen de produccin pequeo

- Alto valor aadido

Ciencia de Materiales

Estructura

Procesado

Elementos bsicos de la C. Materiales

Ciencias Bsicas

Fsica Qumica Matemticas

Ciencia e Ingeniera de Materiales

Ingenieras de diseo Aeronutica Caminos Electrnica Mecnica Biomdica Minas Naval Nuclear Qumica Telecomunicaciones

Relacin de la Ciencia de Materiales con otras disciplinas

La disposicin de los componentes internos y las relaciones entre ellos

Los componentes dependen de la escala La estructura de los materiales se estudia a diferentes escalas o niveles

1. Atmico-molecular (enlaces interatmicos o intermoleculares)

2. Cristalina (tomos o molculas ordenados formando cristales)

o amorfa (desordenada)

3. Microestructura (formada por una o varias fases)

Fase: porcin homognea del material con estructura qumica y/o fsica

diferenciada de otra

4. Macroestructura (la unidad bsica es el volumen mnimo del material que

lo representa)

Qu es la ESTRUCTURA?

Ciencia de materiales Ingeniera de Materiales

Conocimiento bsico de la estructura

interna, las propiedades y el procesado

de los materiales

Conocimiento aplicado de los

materiales para convertirlos en los

productos que la sociedad demanda

Qu es la ESTRUCTURA?

Definicin de material

Todas aquellas sustancias que, una vez fabricadas y procesadas, se utilizan en

el diseo y construccin de componentes y estructuras, debiendo cumplir una

serie de propiedades fsicas, qumicas y/o mecnicas determinadas durante su

actuacin o vida en servicio

M.B. Bever en Encyclopedia of Materials Science and Engineering

Son slidos

No experimentan transformacin qumica durante su utilizacin

Se caracterizan por la durabilidad de sus propiedades

En ingeniera, un material es una sustancia (elemento o compuesto qumico) con alguna propiedad til, ya sea mecnica, elctrica, ptica, trmica, magntica, etc. Definicin que contempla todo el ciclo de vida del material:

Historia y evolucin de la Ciencia de Materiales

Ejemplo: Materiales de construccin

Los primeros materiales eran naturales: piedra, madera, cuero

Descubrimiento de tcnicas para producir materiales con mejores propiedades, por transformacin qumica (hornos): cermica, aleaciones

Avances cientficos y conocimiento de la microestructura: se aprende a

modificar las propiedades

- Siglos XVIII - XIX: Teora de la elasticidad (Hooke)

- Finales del siglo XIX: Produccin de acero La revolucin industrial

- Principios S. XX: Metalurgia (relacin estructura-propiedades Metalografa)

- Aos 40: Fsica nuclear, la energa atmica, la turbina de gas, aviacin,

el microscopio electrnico

- Aos 50: Semiconductores, transistor, industria electrnica, telecomunicaciones

- Aos 60: Lser, superconductividad, industria aeroespacial y armamento

- Aos 90: Nanomateriales

2010, Nobel de Fsica a Gein y Novoselev por el grafeno

Historia y evolucin de la Ciencia de Materiales

Edades: PiedraMetalesHormign/aceroPolmerosSemiconductoresNanomateriales

Paleoltico Materiales naturales

Neoltico Forja Cu, Metalurgia

Revolucin Industrial Acero (Bessemer) Transistor

Laboratorios Bell

Nanotecnologa (Fullereno, 1985 Nobel Qumica1996)

Nanotubos de Carbono, Iijima, 1991)

Importancia relativa de los materiales a lo largo de la historia

Clasificacin de los materiales

Desde el punto de vista de la composicin (basada en el tipo de enlace)

Desde el punto de vista de las propiedades o aplicaciones: - Estructurales, electrnicos, magnticos, fotnicos, biomateriales, etc.

Metlicos

Cermicos

Polmeros

Compuestos


El enlace metlico se forma entre cationes metlicos que comparten los electrones de valencia (nube electrnica)

- Los electrones externos compartidos y deslocalizados conductividad

- Son slidos cristalinos, resistentes y dctiles

Enlaces primarios: Enlace metlico


Transferencia electrnica

Na+ Cl-

Na Cl

Los compuestos Inicos son slidos cristalinos

Fuerte atraccin electrosttica Alto punto de fusin, duros, frgiles

No son conductores

Enlaces primarios: Enlace inico


Comparticin de electrones

Molculas covalentes

Bajo punto de fusin Generalmente, blandos y dctiles

Ej: Polmeros

Cristales covalentes

Alto punto de fusin Duros y frgiles

Ej: Diamante

Enlaces primarios: Enlace covalente


Enlaces secundarios entre molculas

Van der Waals: entre molculas con dipolos permanentes o no permanentes

Enlace de Hidrgeno: dipolos permanentes, molculas con H y tomos electronegativos

Metlico

Inico

Covalente

Metales y aleaciones

Cermicos cristalinos y vidrios

Polmeros

Semiconductores

Secundarios

El tipo de enlace influye: en el punto de fusin y ebullicin en las propiedades mecnicas en la conductividad, solubilidad, ...

Enlaces secundarios


Materiales Metlicos

Metales o Aleaciones de dos o ms elementos (al menos uno de ellos Me)

Ej.: Acero (Fe+C), acero inoxidable (Fe+Cr+Ni), aluminio, cobre, latn (Cu+Zn), titanio, superaleaciones

- Enlace metlico

conductividad trmica y elctrica

- Estructura cristalina

- Alta densidad

- Propiedades mecnicas

Resistencia, dureza, tenacidad, ductilidad, se pueden conformar

fcilmente


Ventaja: se pueden reciclar

Inconveniente: sufren corrosin

Materiales Metlicos

Materiales Cermicos


Compuestos formados por combinacin de elementos metlicos con no metlicos


Composicin: Compuestos inorgnicos formados por metales y no metales: xidos, carburos, nitruros, sulfuros, silicatos, etc.

Enlace inico y/o covalente

baja conductividad trmica y elctrica (aislantes)

Estructura cristalina o no cristalina (vidrios)

Baja densidad

Alto punto de fusin

Propiedades mecnicas

Elevada resistencia (incluso a alta temperatura, materiales refractarios),

dureza, baja tenacidad, elevada fragilidad (baja resistencia al impacto)

Estabilidad trmica y qumica

Propiedades pticas, elctricas, magnticas y trmicas

Inconveniente: su fragilidad

Ejemplo de comparacin cermico-metal

Al2O3 vs. Al

Muy estable qumicamente medios agresivos (frente a alta reactividad del Al)

Alta temperatura de fusin (2020 C, frente a 660 C del Al) refractario

Es muy frgil (frente a la ductilidad del Al) no puede soportar cargas severas


Materiales cermicos


Fibra ptica (material fotnico)

xidos superconductores (Propiedades elctricas y magnticas)

YBa2Cu3O6 YBa2Cu3O7

Materiales cermicos

Fibra ptica: Transmisin de voz y de seales digitales por fotones en el cobre por electrones Mayor capacidad de transmisin, menor tamao y coste que el Cu Un par de fibra ptica transmite la misma cantidad de informacin que 2200 pares telefnicos de cobre

Cable de cobre

Cu


Materiales Polimricos

Composicin: cadenas de molculas orgnicas formadas por la unin de monmeros C2H4 (etileno) (- C2H4 -)n (polietileno)

Baja densidad, muy ligeros

Enlace covalente

Baja conductividad trmica y elctrica (aislantes)

Amorfos o parcialmente cristalinos

Baja T de ablandamiento o de descomposicin (No pueden usarse a elevadas T)

Propiedades mecnicas (en general, inferiores a las de los metlicos y cermicos) Dependen del tipo de polmero Termoplsticos: excelente ductilidad y resistencia al impacto (PET, PVC, PP...) Termoestables: propiedades mecnicas contrarias a termoplsticos (ms rgidos, duros y

menos dctiles) (resinas epoxi, poliuretanos, siliconas.....) Elastmeros: excelente elasticidad (caucho)

Fcil procesado, bajo coste




POLIESTER PET POLICARBONATO PVC

ELASTMEROS: Neopreno, caucho TERMOESTABLES



Materiales formados por combinacin de distintos tipos de materiales de las

categoras anteriores (metlicos, cermicos y polmeros)

Se aprovechan las mejores propiedades de los materiales que los

componen para obtener un nuevo material con propiedades nicas

(polmero y vidrio = fibra de vidrio)

Se pueden conseguir una gran variedad de propiedades dependiendo de

los materiales constituyentes

Todos los elementos de la tabla peridica excepto los gases nobles pueden

entrar en la composicin de los MC

Importante desarrollo para la industria aeroespacial, transporte, deporte

Materiales Compuestos


Materiales compuestos

Comparacin de la resistencia de los materiales

Comparacin de la densidad de los materiales

Diamante Grafito

Por qu los materiales presentan distintas propiedades?

Enlace covalente duro Red tridimensional No conductor Transparente

Estructura laminar Enlace covalente en cada lmina y enlaces secundarios entre lminas Blando Conductor (e- libres, deslocalizados) Negro y opaco


Almina = Al2O3

Transparente, translcida, opaca

a) SiO2 Slice cristalina (cuarzo) b) No cristalina o amorfa (vidrio)

Relacin estructura-propiedades-procesado

La estructura y las propiedades se modifican durante el procesado

Metales Moldeo, conformacin plstica, mecanizacin

Polmeros Moldeo, conformacin plstica, mecanizacin

Cermicos Coccin, sinterizacin

Procesado de materiales

Moldeo Estampacin Laminacin

Sinterizacin

Moldeo por inyeccin

La estructura y las propiedades se modifican por el medio ambiente

y las condiciones a las que est sometido el material durante su uso

- Temperatura

- Medio ambiente: corrosin, degradacin

Variacin de la resistencia mecnica en funcin de la temperatura de servicio


Habitculo: Materiales compuestos que absorben la energa del impacto (MC resinsa epoxi-fibra de carbono)

Frenos: MC carbono-carbono (T 1000C)

Motor: Motor de aleacin metlica con recubrimiento cermico

Neumticos: cauchos reforzados, diferentes durezas

Traje: material ignfugo (Nomex)

Casco: MC (PE reforzado con fibras de C y Kevlar)

La industria de automocin

Reduccin de peso

Sustitucin de materiales pesados por ligeros Avances tecnolgicos en materiales desarrollados en el automovilismo de alta competicin

Impacto de la Ciencia de Materiales en la Sociedad

La industria aeronutica Menor consumo combustible y/o mayor capacidad de pasaje Mayor porcentaje de materiales compuestos en los nuevos AIRBUS Motores ms eficientes Materiales resistentes a alta temperatura

A320 100-220 asientos

A380 525 pasajeros - Ms ecolgico - Bajo consumo de combustible - Silencioso, inteligente


Aviones militares

Eurofighter Typhoon

Proyecto de avin superpersnico (avin-cohete comercial) del

consorcio europeo (EADS) que no contaminara porque se movera por la

estratosfera. Paris-Tokio en 2h

Impacto de la Ciencia de Materiales en la Sociedad


Propiedades

Fsicas: densidad

Mecnicas: mdulo de elasticidad, lmite elstico, resistencia a la traccin, dureza, tenacidad, resistencia a la fatiga y a la fluencia, capacidad de amortiguamiento de vibraciones

Trmicas: conductividad, calor especfico, coeficiente de expansin trmica

Elctricas: resistividad

Magnticas: permeabilidad

Interaccin con el entorno: oxidacin, corrosin, desgaste

Produccin: facilidad de fabricacin y de unin, acabado

Estticas: color, textura, aspecto

Econmicas: precio, disponibilidad, reciclabilidad

Seleccin de materiales


Factores que determinan la seleccin

Propiedades ptimas

Facilidad de fabricacin

Coste mnimo

Uso de materiales favorables

para el medio ambiente

Funcin Varios candidatos Definicin y Medida de propiedades

Seleccin

La seleccin de materiales es una decisin importante en el proceso de diseo en ingeniera

Competencia y Seleccin de materiales


Dureza Tenacidad ACERO carburado

Rigidez Resistencia mecnica Acero 0,8%C

Baja densidad Bajo precio Aspecto y textura Polimetacrilato

Resistencia a - Fatiga trmica - Desgaste - Oxidacin - Corrosin

Electrodos de aleacin de W

Aislante trmico

Resistencia a - Fatiga trmica - Desgaste - Oxidacin - Corrosin

Cpsula de almina

Ejemplos de seleccin

Buja


Material para botellas de gas comprimido



Botella de gas comprimido para el espacio


La investigacin en nuevos materiales es un campo muy dinmico

Materiales inteligentes: capacidad para detectar y responder a estmulos externos (T, luz, campo elctrico o magntico, esfuerzo, etc.)

Biomateriales: Materiales biocompatibles que pueden reemplazar la funcin de los tejidos o de los rganos internos

Nanomateriales Polmeros conductores (para dispositivos electrnicos o biocompatibles para reconstruir nervios)


Futuro

La nanoestructura de los pelillos de las patas del salamanquesa hacen posible

que pueda andar bocabajo en superficies muy lisas.

Materiales inspirados en la naturaleza

Metlicos Materias primas

Minerales (xidos, sulfatos, carbonatos, silicatos etc.)

Chatarras reciclado

Procesos de extraccin Metalurgia extractiva

Reduccin y fusin a alta T Pirometalurgia

Disolucin (Lixiviacin) y precipitacin Hidrometalurgia

Reduccin por corriente elctrica Electrometalurgia

M Luisa Blzquez

Cmo se obtienen los materiales? PROCESOS QUMICOS

Cermicos Materias primas

Minerales

Reciclado

Procesos de extraccin y de sntesis

Disolucin, purificacin y precipitacin

Fusin y moldeo

Polmeros Materias primas: Petrleo, Carbn, Gas natural, Caucho (ltex del rbol Hevea brasiliensis)

Procesos de polimerizacin

M Luisa Blzquez

Cmo se obtienen los materiales? PROCESOS QUMICOS

Documents

Tema1