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1. Introducción a la Ciencia
e ingeniería de
Materiales
Un curso para el profesorado de educación en
tecnología (PET)
Edgardo L. Santarelli
Ricadro A. Echevarría
Pablo N. Manzione

2. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Los Materiales y la historia
| Por que se llaman como se llaman las
edades de la tierra?
| Como se llamaría la edad actual?
| Desde cuando conocemos
verdaderamente a los materiales?
| Hay nuevos y viejos materiales?
| Podemos medir cuanto avanzó esta
ciencia?

3. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Dos indicadores del avance de
la ciencia de materiales

4. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Ciclo de los Materiales
| Desde la materia como insumo al producto terminado
| Y después?
Ciencias de la
Agricultura,
Mineralogía
e Ingeniería
Ciencias Materiales
e Ingeniería
Reciclado

5. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Materiales, Energía y
Medioambiente
Estado
Materiales
Medioambiente
Energía

6. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Materiales e ingeniería
| Que relación hay entre estos términos?
| Los ingenieros deben optimizar estos factores en
forma simultanea
ingeniería
Materiales
Diseño Proceso

7. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
7
Aunque usted no lo crea!
| Diseño deficiente por
que contenía
concentradores de
tensión
| Proceso: Soldadura,
poco conocido para
esta época.
| Material: mal
seleccionado, por
desconocimiento del
problema

8. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Necesidades sociales y ciencia
básica
Necesidades
Sociales y
Experiencia
Ciencia Básica
Conocimientos
Síntesis/ Procesamiento
Funcionamiento
Estructura / Composición
Conocimiento Científico
Conocimiento Empírico
Propiedades

9. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Selección de Materiales
| Propiedad o propiedades de interés:
z Generalmente la consideración más importante
z Normalmente más de un material se adapta
| Procesabilidad
z Facilidad con que pueden ser formados y ensamblados
z Depende de una compleja combinación de propiedades
| Disponibilidad
z Los mejores materiales no siempre están disponibles (⇑⇑
COSTOS)
z La respuesta común es la sustitución (Cañerías de PVC
reemplazan Pb)
| Costo:
z función de disponibilidad y valor agregado entre otras

10. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Equilibrio: un concepto
necesario
| Todo sistema dejado a su libre albedrío tiende a
alcanzar una situación más estable, en tanto las
condiciones del medio se lo permitan.
| Como sabemos si un sistema está en equilibrio?
Variación de energía Libre
∆G = ∆H – T ∆S

11. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Clasificación de Materiales
| Como toda clasificación puede ser realizada en
forma arbitraria según los parámetros
seleccionados.
z Usos: construcción, electrónicos, etc.
z Tradicionales vs. Avanzados
z Tipo: desde nuestro punto de vista es la más
conveniente, dado que tiene en cuenta aspectos
básicos de la estructura de los materiales,
fundamentalmente el tipo de enlace y la estructura

12. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Tipos de Materiales
Compuestos
Polímeros
Cerámicos
Metales

13. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Metales
| Enlace metálico
z Brillo
z Conductividad
eléctrica y térmica
z Maleabilidad
z Ductilidad

14. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Cerámicos
| Enlaces Iónicos y/o
Covalentes
z Fragilidad
z Dureza
z Aisladores eléctricos y
calóricos

15. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Polímeros
| Cadenas de Carbono
unidos por enlaces
covalentes
z Termoplásticos
z Termorígidos
z Elastómeros
z Alta relación
Resistencia / Peso

16. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Estructura de los materiales
Átomo
(Å)
Moléculas
Amorfos
Cristales
(nm)
Granos Cristalinos
Superestructuras
Defectos
Etc.
(µm)
Electrones
Neutrones
Protones
Propiedades
electrónicas,
Magnéticas,
Eléctricas,
etc.
Propiedades
sensibles a la
microestructura
Propiedades
insensibles a la
microestructura

17. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Conceptos de Cristalografía
| Estructura periódica o repetitiva
| Orden de largo alcance (alrededores idénticos)
| Resulta de la organización periódica de puntos en el
espacio, a la cual se le asocia un motivo molecular

18. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Representación geométrica de
la estructura cristalina
| El sistema es tal que puede ser descrito por una celda unidad
| Celdas unidad que contienen un único punto de la red (mínimo
volumen posible) se llaman celdas primitivas
| En el espacio, seis parámetros (a, b, c, α, β, γ)

19. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Sistemas cristalinos y redes de
Bravais
| La condición de orden de largo alcance limita la
cantidad de geometrías posibles.
| Estas fueron organizadas en 7 sistemas

20. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Geometrías de celdas

21. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Estructuras Cerámicas

22. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Estructuras de los polímeros
| Estado amorfo
Lineal Ramificada Red
| Estado semi-cristalino
PE, ortorrómbico
PET, triclínico

23. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Direcciones y planos
cristalográficos
| Definida por un vector que parte del origen
y pasa por al menos un átomo. [a b c]
| Planos cristalográficos: En la notación de
Miller los índices (h, k, l) definen un plano
que corta a los ejes a, b y c a distancia
a/h, b/k y c/l, respectivamente, del origen.

24. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Microestructura
Defectos
Puntuales Lineales superficiales Volumétricos
Vacancias
intersticiales
Sustitucionales
Dislocaciones Maclas
Bordes de grano
macro defectos
Superficies líbres
| Las estructuras cristalinas no son perfectas

25. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Borde de Grano

26. Introducción a la ciencia en ingeniería de materiales
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Difusión
| Tiene en cuenta que la materia en el interior de un sistema
no permanece estática, y su movilidad depende de la
temperatura, el tipo de sistema, su estructura, la
concentración de defectos, etc.
| Podemos observarla cuando existen gradientes de
concentración en el sistema.
| Leyes de Fick.
| La difusividad D es un parámetro que tiene en cuenta la
movilidad