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.
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