Recomendados
Más contenido relacionado
Similar a 1-2 Introducción a la ciencia de los materiales.pptx
Similar a 1-2 Introducción a la ciencia de los materiales.pptx (20)
Último
Último (20)
1-2 Introducción a la ciencia de los materiales.pptx
- 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Sede Medellín Facultad de Minas DEPARTAMENTO DE MATERIALES Y MINERALES Curso: Ciencia de Materiales
- 2. Programa Resumido Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales Estructura Atómica y Disposición Espacial de átomos y Moléculas Microestructura, Transformaciones de Fase y Propiedades de los Materiales Aplicaciones Configuración electrónica en sólidos, Enlace químico, Cristales, Compuestos Químicos, Soluciones Sólidas, Macromoléculas Defectos puntuales, lineales, bidimensionales y volumétricos Termodinámica y Cinética de Reacciones, Difusión Propiedades Térmicas, Ópticas, Mecánicas, Eléctricas Relación Estructura-Propiedades, transformaciones en estado sólido Diagramas de Fase, Solidificación Sinterización, Viscoelasticidad, Anelasticidad, Memoria de forma
- 3. El ciclo de los materiales
- 4. Algunas Preguntas • Por qué la ropa se arruga? Por qué se «desarruga» cuando se plancha? Por qué funciona mejor el planchado con agua? • Cómo borra un borrador de goma? • Cómo funciona el “superbonder”? • Si el Teflon es antiadherente, por qué se adhiere a la olla cuando la fabrican?
- 5. Clasificación Tecnológica de los Materiales de Ingeniería Metales Cerámicos Polímeros Compuestos Semi / Superconductores Biomateriales Combinación de elementos metálicos Alta cantidad de electrones libres Buenas conductividad térmica y eléctrica, tenacidad Combinación de elementos metálicos y no metálicos Aislantes térmicos y eléctricos Duros y frágiles Compuestos orgánicos basados en C, H y otros Estructuras moleculares muy grandes Baja densidad, baja resistencia a altas temperaturas
- 6. Clasificación según el tipo de Enlace Químico Cerámicos Metales Covalente Semiconductores Secundario Iónico Metálico Polímeros
- 8. Aleaciones de Ingeniería Micrografía óptica de un latón policristalino. 100X. Macrografía óptica de una unión soldada. Aleación Nb-10%Hf-10%W. 15X
- 9. Cerámicos de Ingeniería Micrografía óptica de transmisión de Si3N4, 750X Al2O3 en tres diferentes condiciones Policristal poroso monocristal Policristal denso
- 10. Polímeros de Ingeniería Micrografía óptica de transmisión de um polietileno de estructura esferulítica. 525X. Diferentes tipos de estructuras de macromoléculas Lineal Ramificada Enlaces cruzados Red
- 11. Materiales Compuestos PTFE reforzado con fibras cerámicas duras •Constituidos por más de un tipo de material “básico” •Combinan las mejores propiedades de materiales muy diferentes
- 12. Semiconductores •Propiedades de conducción eléctrica intermediarias entre conductores y aislantes •Muy susceptibles a cambios pequeños en composición y microestructura “Wafer” de Si para chip de computador
- 13. Biomateriales •Alta resistencia a corrosión •Biocompatibilidad •Bioactividad •Resistencia a la fatiga Implante de cabeza de fémur, Titanio + UHMWPE
- 14. Materiales de Ingeniería Objetivos Iniciales •Identificarlas principalescaracterísticas TECNOLÓGICASde los grupos más importantes de materiales de Ingeniería •Identificarlos procesos utilizadospara obtener estos grupos de materiales •Descubrir por qué es necesario conocer en detalle la naturaleza electrónica, atómica y el arreglo espacial de los materiales para poder controlar sus propiedades y desempeño en operación
- 15. Metales y Aleaciones Base Fe Base Ti Rigidez Base Ni Base Al Base Cu Base Mg Baja Densidad ConductividadEléctrica Fragilidad ConductividadTérmica Resistenciaa Corrosión Relación / Tenacidad Resistenciaa altas temperaturas
- 16. Metales y Aleaciones Fusión y Solidificación •Altareversibilidad en el proceso •Buencontrol de la microestructura •Altoconsumo de Energía •Lingotes •Fusión Continua •CeraPerdida •Coquilla
- 17. Metales y Aleaciones Conormación Mecánica y termo-mecánica •Altoconsumo de energía •Buencontrol de propiedades mecánicas •Diversidad de formas y tamaños •Producción a gran escala
- 18. Metales y Aleaciones Soldadura 0,7 (210 MPa) 0,9 (280 MPa) 1,7 (350 MPa) 1,3 (280 MPa) 1,5 (350 MPa) Aparência visual da raiz da solda, apresentando uma Resultado do teste de embutimento, com trincas Aplicación Especial: “Blank” Soldado •Versatilidad •Economía •Resistencia/ Densidad
- 19. Metales y Aleaciones %N absorbido en el espesor Xc Tratamientos Superficiales Xc 0 Xc x 0 x 0 s s N % dx Dt 2 x erf C C C d 1 n i Dt Xc i i ... , 2 , 1 ;
- 20. Metales y Aleaciones Metalurgia de Polvos •Homogeneidad- Isotropía •Fabricaciónde piezas de difícilgeometría •Piezasde extrema dureza ProduccióndelPolvo Compactacióna frío CompactaciónenCaliente Sinterización TratamientoTérmico ProductoFinal
- 21. Materiales Cerámicos Cristalinos: Óxidos Nitruros BaTiO3 Al2O3 Si3N4 SiO2 MgO Vidrios: Silicatos Borosilicatos •Altaestabilidaden temperatura •Altaestabilidadquímica •Fragilidad •Baja conformabilidad Mecánica
- 22. Materiales Cerámicos Propiedades Ópticas Transparencia Translucidez Opacidad Polarización Actividad Óptica Birrefringencia Guías de Onda Computadores Ópticos Mica Calcita Fluorita
- 23. Materiales Cerámicos Moldeo por Soplado Cuidadosocontrol de la viscosidad Altoconsumo de Energía Proceso rápido
- 24. Materiales Cerámicos Colado en Barbotina Bajo consumo de energía Propiedades mecánicaspobres Procesos lentos
- 25. Materiales Cerámicos •Comportamientomuydiferenteen compresióny tracción •Contactofundamentalmenteelástico: •(E / H) muygrande
- 26. Materiales Poliméricos •POLÍMERO : sustancia compuesta de macromoléculas, cuya estructura es esencialmente compuesta de unidades repetitivas múltiples derivadas de moléculas con masa molar relativamente baja •MONÓMERO : sustancia compuesta de moléculas que sufren reacción de polimerización, constituyéndose así en las unidades estructurales de un polímero •HOMOPOLÍMERO: polímero derivado de una espécie de monómero únicamente •COPOLÍMERO: polímero derivado de dos o más especies de monómeros
- 28. Algunos Polímeros de Uso Común Metacrilato de metila (2-metil-propenoato de metila Estireno (vinilbenzeno) Etileno (eteno) Propileno (propeno) Cloruro de vinila (cloro-eteno) CH2 CH2 CH2 CH CH3 CH CH2 C CH2 CH3 C O O CH3 CH2 CH Cl
- 29. Algunos Polímeros de Uso Común Fenol (hidroxibenzeno) Formaldeído (metanal) 1,6-hexametileno-diamina (1,6-diaminohexano) Ácido adípico (ác. 1,6-hexanodióico) Etileno glicol (1,2-dihidroxietano) Ácido tereftálico (ác. 1,4-benzenodicarboxílico) OH CH2 HOCH2 COH HO HOC O O NH2 H2N O C HO OH C O O C H H OH
- 30. Algunos Polímeros de Uso Común Número de C en la cadena Estado y Propiedades del Material Uso, de acuerdo con longitud de la cadena 1-4 Gas simple Gas para cocinar 5-9 Líquido simple Gasolina 9-16 Líquido de viscosidad media Kerosene 16-25 Líquido de viscosidad alta Aceite y Grasa 25-50 Sólido simple Cera de parafina, velas 1000-3000 Sólido plástico Envase de polietileno
- 31. Materiales Poliméricos Extrusión (Termoplásticos) •Excelentespropiedades mecánicas: puede sustituir metalesen aplicaciones de transmisiónde potencia •Altaexigenciaa las herramientas en la extrusora
- 32. Familias de Polímeros Termoplásticos •Reciclables •Parcialmente cristalinos o totalmente amorfos •Lineales o ramificados Termofijos - Termorrígidos •Son conformables plásticamente solamente en una estapa intermedia del proceso de fabricación. El producto final es duro y no se ablanda con el aumento de la temperatura. •Insolubles •Más resistentes al calor que los termoplásticos •Completamente amorfos •Poseen una estructura tridimensional, reticulada, con enlaces cruzados.
- 33. Temperaturas de Transición Tf Tg Estado Ordenado Estado vítreo Estado Ordenado Volumen libre aumenta Líquido viscoso Estado Vítreo Estado de Caucho Líquido Viscoso No existen polímeros 100% cristalinos Si los hubiera, no tendrían Tg
- 34. Temperaturas de Transición Si Tuso < Tg polímero rígido Si Tuso > Tg el polímero pasa al estado “de caucho” Si Tuso >> Tg la viscosidad del polímero disminuye progresivamente hasta la temperatura de degradación Para los plásticos: Tg > Tamb Para los elastómeros: Tg < Tamb
- 35. Temperaturas de Transición Polímero Tg Tm PEAD -110 137 PEBD -90 110 PVC 105 212 PTFE -90 327 PP -20 175 PS 100 Ny 6,6 57 265 PET 73 265 PC 150
- 36. Transiciones Térmicas y Propiedades Termoplástico Termofijo Lineal Semi- Cristalino Tg, Tf Lineal o Ramificado Amorfo Tg Enlaces Cruzados Amorfo Tg Tg < Tamb Producto blando Tg > Tamb Producto rígido Tg < Tamb Elastómero (cristaliza bajo tensión) Tg > Tamb Termorígido
- 37. Caracterización Estructural 4000-2500cm-1 Altas Frecuencias de Estiramiento. Enlaces C-H 2500-2000cm-1 Enlaces triples 2000-1500cm-1 Absorción de C=O y C=C 1500-400cm-1. “Región dactilar”. Única para cada Compuesto: >CH2, -CH3, -OH, CH, >C=O, ≡CH, −>C-C<−
- 38. Materiales Compuestos + Fase Matriz Dúctil Tenaz Fase de Refuerzo Fibras Láminas Partículas Para propósitos estructurales Combinaciónde propiedades: Resistencia Tenacidad Resistencia Densidad
- 39. Materiales Compuestos Artículos Deportivos Aeronáutica/Astronáutica Construcción Civil IndustriaMilitar En países industrializados se produce aproximadamente 8 veces más volumen de estructuras en concreto que de metal CONCRETO MADERA ASFALTO
- 40. Materiales Compuestos Fibras poliméricas – Kevlar Boeing 767
- 41. Materiales Compuestos Microestructura Fibra de Carbono en matriz de Carbono Carbonitruros de Cr en matriz Metálica
- 42. Biomateriales Baja reactividad Biocompatibilidad Bioactividad Aleaciones de Ti Aleaciones de Co Aceros Inoxidables Fe-Cr-Ni Fe-Cr-Mn-N Polímeros de alta densidad UHMW-PE / PP Cerámicos Hidroxiapatita
- 45. Propiedades Mecánicas t t t x x x t F Elástico Viscoso Viscoelástico Elasto-plástico
- 46. Propiedades Mecánicas A- polímero rígido quebradizo B- polímero rígido plástico C- polímero elastomérico
- 48. Propiedades Eléctricas Teoría de bandas Niveles discretos de Energía, distribuidos formando bandas Banda de Valencia – Banda de Conducción
- 49. Propiedades Eléctricas Probabilidad de ocupación de niveles energéticos Distribución de Fermi-Dirac f(E) La conductividad aumenta con la temperatura f(E>Ef) > 0 cuando T aumenta
- 51. Propiedades Ópticas Mecanismos de Polarización De la luz en sólidos
- 53. Propiedades Magnéticas Diamagnetismo: un campo magnético externo no genera una nueva orientación de los dipolos en el interior del material. El campo “no entra” Paramagnetismo: Los electrones no apareados forman dipolos sólo cuando un campo magnético MUY FUERTE es aplicado Ferromagnetismo: los dipolos se alinean fácilmente cuando se aplica un campo magnético externo. Fe, Ni, Co