Ingeniería de Materiales Es la aplicación de principios de ciencia de materiales en el diseño de...

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Ingeniera de Materiales

Es la aplicacin de principios de ciencia de materiales en el diseo de objetos o en el procesamiento de materiales.Trata con los materiales y sus propiedades.

Los materiales son muy importantes en el desarrollo de la civilizacin humana. Desde la Prehistoria los materiales estn asociados a los principales materiales en uso:

Edad de Piedra, Edad de Bronce, Edad del Hierro, etc

Con el tiempo los seres humanos descubrieron nuevos materiales y tcnicas para producir materiales conocidos, con el fin de satisfacer sus necesidades. A partir de esto nace la Ingeniera de Materiales.

Se podra decir que el Hombre ha aplicado la Ingeniera de Materiales a travs de toda su Historia, usando y transformando materiales.Ingeniera de Materiales

Ingeniera de MaterialesSin embargo, a lo largo de la mayor parte de la historia, la Ingeniera de Materiales se us sin un cabal conocimiento de los mismos.Slo desde hace unos 200 aos, nace como disciplina cientfica, lo que llamamos la Ciencia de los Materiales.Si bien la Ciencia y la Ingeniera de los Materiales estn interrelacionadas, conceptualmente no son lo mismo Pregunta: Cul cree ud. que sera una diferencia entre Ciencia e Ingeniera de Materiales?


La diferencia radica en que la Ciencia de Materiales se ocupa del estudio de la relacin entre la estructura y las propiedades de los materiales.

Por otro lado, la Ingeniera de Materiales se fundamenta en la relacin Estructura-Propiedad y disea la estructura de un material para conseguir un conjunto de propiedades.Ingeniera de Materiales

Problema que presenta en general la Ingeniera de Materiales:Realizar la eleccin del material ms idneo para un componente, entre una gama de miles de materiales disponibles hoy en da.Ah entra en juego el disponer de las caractersticas del material, de acuerdo a la necesidad del componente.Pregunta ejemplo:Qu caractersticas cree ud. que debiera tener el material del fuselaje externo del transbordador espacial para su reingreso a la atmsfera terrestre?Ingeniera de Materiales

Propiedades de los materiales.

Todos los materiales de ingeniera se caracterizan por sus propiedadesSu uso est determinado por las propiedades que presenten bajo condiciones de uso


Estas propiedades estn agrupadas en 6 grandes categoras:

Propiedades mecnicas, elctricas, trmicas, magnticas, pticas y qumicas.

La estructura de los materiales determina estas propiedades relevantes, estructura que se logra con procesos de transformacin y determina su desempeo en uso.


Estos conceptos estn interrelacionados y componen la base de la ciencia de materialesDesempeoPropiedadesEstructuraProcesoPor qu estudiar las propiedades de los materiales?

Porque existen miles de materiales y es casi imposible seleccionar un material para una tarea especfica sin conocer sus propiedades.

Existen varios criterios sobre los que se basa la eleccin final del material.

Es muy raro que un material posea una ptima combinacin de propiedades.


Clasificacin de los Materiales.Los materiales pueden tener distintas clasificaciones, siendo la ms conocida la que tiene relacin con su estructura y enlaces atmicos. De acuerdo a esto ltimo, se clasifican en:Metales

Cermicos

Polmeros

Metales.Normalmente son combinacin de elementos metlicosSe caracteriza por tener un gran nmero de electrones deslocalizados, es decir, que no pertenecen a ningn tomo.

Son buenos conductores del calor y la electricidad y son opacos a la luz visible.Son resistentes y a la vez deformables, lo que los hace buenos materiales estructurales.


Cermicos.Son una combinacin de elementos metlicos y no metlicos.En gral. Son xidos, nitruros y carburos.A esta categora pertenecen por ejemplo el vidrio, la arcilla y el cemento.

Son materiales aislantes trmicos y elctricos, y tienen una mejor performance a altas temperaturas que los metales y los polmeros. (Ej. Ladrillos refractarios)Desde el punto de vista estructural, son duros y frgiles.


Polmeros.Se les relaciona generalmente con los conocidos materiales plsticos, aunque estos ltimos abarcan una parte de la gama de polmeros. Existen polmeros naturales, como la madera y el caucho.Estructuralmente, estn formados por grandes cadenas orgnicas, entrelazadas entre s.

Al ser cadenas orgnicas(basadas en C e H), en general tienen baja densidad y gran flexibilidad, aunque la adicin de ciertos elementos no metlicos en sus cadenas, les pueden conferir excelentes propiedades mecnicas.Ingeniera de Materiales

Otros materiales.Existen otras clasificaciones de materiales, como por materiales compuestos, que no son ms que combinaciones de los materiales anteriormente mencionados.Un ejemplo de eso son los cascos de algunas embarcaciones menores, hechos de fibra de vidrio mezclada con resinas polimricas.

Otro material importante, por sus caractersticas elctricas especiales, son los semiconductores, que tienen caractersticas tanto de conductores elctricos como de aislantes. Son muy importantes en la industria de la electrnica, ya que son la base de sus circuitos.Ingeniera de Materiales

Otros materiales.En los ltimos aos, la necesidad de hacer componentes cada vez ms pequeos y livianos ha dado paso a nuevos desarrollos de materiales, dando paso a la disciplina de la nanotecnologa, esto es, materiales a escala de los nanmetros (nm)Ingeniera de Materiales

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Ciencia de Materiales

Es la relacin entre las propiedades de un objeto y su composicin qumica y estructura atmica.Si se conocen los tomos y como estn estructurados, es posible que las propiedades del material sea conocido cualitativamente y aun cuantitativamente.16ANDREA FREDES EII 441-01

Ciencia de Materiales

A continuacin veremos conceptos bsicos de ciencia de Materiales para comprender el comportamiento de los materiales.Se describirn conceptos desde lo ms pequeo (tomo), hasta niveles que son visibles al ojo humano (macroestructura)

Es la forma en que estn ordenados los tomos en un material.La estructura tiene diferentes escalas: Nuclear-> Ncleo: neutrones y protones Atmica->Estructura de electronesCristalina->Es el arreglo tridimensional de tomos y molculas.Estructura

ANDREA FREDES EII 441-0118

Son considerados la unidad fundamental de la naturaleza.Constan de un ncleo de protones (carga elctrica positiva), neutrones (sin carga) y una periferia de electrones (carga negativa).El nmero de protones diferencia cada tomo en lo que se denominan los elementos qumicos. Oficialmente, existen 104 elementos qumicos.

tomos

EII 441-01 Andrea Fredes20ESTRUCTURA DEL TOMO Cada elemento qumico est constituido por tomos. Cada tomo est formado por un ncleo central y 1 o ms capas de electrones. Dentro del ncleo residen partculas subatmicas: protones (de carga +) neutrones (partculas del mismo peso, pero sin carga).

EII 441-01 Andrea Fredes21ESTRUCTURA DEL TOMO

NUCLEOPROTONESNEUTRONESELECTRONESEII 441-01 Andrea Fredes22Los tomos grandes albergan a varias rbitas o capas de electrones.el orbital ms externo se llama la capa de valencia, porque determina cuantos enlaces puede formar un tomo

Los electrones giran alrededor del ncleo en regiones del espacio denominadas rbitas.

EII 441-01 Andrea Fredes23

En el tomo distinguimos dos partes: el ncleo y la cortezaEl ncleo es la parte central del tomo y contiene partculas con carga positiva, los protones, y partculas que no poseen carga elctrica, es decir son neutras, los neutrones.La masa de un protn es aproximadamente igual a la de un neutrn.

La corteza es la parte exterior del tomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. stos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del ncleo. La masa de un electrn es unas 2000 veces menor que la de un protn.

EII 441-01 Andrea Fredes24Todos los tomos de un elemento qumico tienen en el ncleo el mismo nmero de protones. Este nmero, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los dems, es el nmero atmico y se representa con la letra Z. SIMBOLO DEL ELEMENTONUMERO ATOMICONUMERO MASICOEAZ

NUMERO ATOMICONUMERO MASICOLa suma del nmero de protones + neutrones Nmero que es igual al nmero total de protones en el ncleo del tomo. Es caracterstico de cada elemento qumico y representa una propiedad fundamental del tomo: su carga nuclear.

EAZ

EII 441-01 Andrea Fredes25EII 441-01 Andrea Fredes26PARA EL ELEMENTO QUE CONTIENE Numero atmico =Cantidad de protones en el ncleo = 79

Numero de masa = Suma Protones + Neutrones= 197

Neutrones =Numero de masa Protones= 197-79=118

Cantidad de electrones= Cantidad de protones= 79Por esto es tomo es elctricamente neutro

79 p118n Encuentre EII 441-01 Andrea Fredes27DE ACUERDO A LA INFORMACION ANTERIOR DIGA DE QUE ELEMENTO SE TRATAEn la tabla peridica encontramos esta informacin para cada elemento79 p118n

Los elementos se ubican en orden creciente de su numero atmico en la tabla peridicaEII 441-01 Andrea Fredes28

EII 441-01 Andrea Fredes29El elemento de nmero atmico = 79 es En que grupo est el elemento?

Au = oro Est en el grupo IB por tanto es un metal de transicinEn que periodo est el elemento?1234567Est en el periodo 6 , por tanto tiene 6 electrones en su ultima capaEII 441-01 Andrea Fredes30DESARROLLE EL SIGUIENTE EJERCICIONumero atmicoNumero de masaCantidad de electronesNeutrones En que grupo y periodo esta el elemento

Si2814

Encuentre EII 441-01 Andrea Fredes31ISOTOPOS Aunque todos los tomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo nmero atmico, pueden tener distinto nmero de neutrones. Llamamos istopos a las formas atmicas de un mismo elemento que se diferencian en su nmero msico.

EII 441-01 Andrea Fredes32Veamos un ejemploTodos los tomos de Carbono tienen 6 protones en el ncleo (Z=6), pero solo: El 98.89% de carbono natural tiene 6 neutrones en el ncleo A=12Un 1.11% tiene 7 neutrones en el ncleoA= 13.Una cantidad aun menor 0.01% tiene 8Neutrones A= 14 Todos los tomos de un elemento son idnticos en nmero atmico pero no en su masa atmica Nmero atmico es igual al nmero total de protones en el ncleo del tomoMasa atmica tambin peso atmico, es el promedio de las masa de los isotopos encontrados naturalmente de un elemento pesado de acuerdo con su abundanciaLos isotopos de un elemento son tomos que tienen diferente nmero de neutrones y por tanto una masa atmica diferente.EII 441-01 Andrea Fredes33ISTOPOS DEL HIDRGENO

El nmero de neutrones puede variar, lo que da lugar a istopos con el mismo comportamiento qumico pero distinta masa. El hidrgeno siempre tiene un protn en su ncleo, cuya carga est equilibrada por un electrn. EII 441-01 Andrea Fredes34

IsbarosSon aquellos tomos que presentan igual nmero msico y distinto nmero atmico.

Ej:6C14 y 7N14EII 441-01 Andrea Fredes3535IstonosSon tomos que presentan distinto nmero msico y distinto nmero atmico, pero tienen igual nmero de neutrones.

Ej: 5B11 y 6C12EII 441-01 Andrea Fredes3636Nmeros cunticos.Nmero cuntico principal (n):Designa el nivel de energa. Puede asumir cualquier valor positivo: 1,2...hasta el infinito. Cada valor de n determina un nivel o capa en el tomo. El primer nivel es el de menor energa y los siguientes, cada vez ms alejados del ncleo, tienen energas mayores.


EII 441-01 Andrea Fredes3838Nmeros cunticos.Nmero cuntico secundario o azimutal (l):Designa la forma del orbital. Los valores permitidos de l son: 0, 1, 2, 3...(n-1) denotados por los smbolos s, p, d, f ... Respectivamente. Los valores de l correspondientes a un mismo valor de n se llaman subniveles.

EII 441-01 Andrea Fredes39Nmero cuntico azimutal01234Nombre del orbitalspdfg39

EII 441-01 Andrea Fredes4040Nmeros cunticosNmero cuntico magntico (m):Define las orientaciones del orbital en el espacio. Comprende los valores entre +l y-l es decir puede tener los valores: -l, -l+1, ...0,+1,...,l 1,l.Si l= 0 (orbital s) m= 0Si l= 1 (orbital p) m= -1, 0, +1Si l=2 (orbital d) m= -2, -1,0, +1, +2.EII 441-01 Andrea Fredes4141

EII 441-01 Andrea Fredes4242Nmeros CunticosNmero cuntico de spin (s):Determina la orientacin del giro del electrn frente a un cuerpo magntico. Puede tomar slo los valores +1/2 ( ) 1/2 ( ).EII 441-01 Andrea Fredes4343Giro del electrnEII 441-01 Andrea Fredes44

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EII 441-01 Andrea Fredes4545Configuracin electrnicaLos electrones se distribuyen alrededor del ncleo en los diferentes niveles y orbitales. Para saber como se ordenan se deben tener en cuenta las siguientes reglas:-Principio de exclusin de Pauli.-Regla de Hund.

EII 441-01 Andrea Fredes4646Principio de exclusin de Pauli:Dos electrones de un mismo tomo no pueden tener los cuatro nmeros cunticos iguales. As en cada orbital slo pueden haber dos electrones, uno con espn +1/2 y el otro 1/2.Los orbitales se llenan segn sus energas relativas, empezando por los de menor energa.EII 441-01 Andrea Fredes4747Regla de HundDos orbitales con los mismos nmeros cunticos n y l tienen la misma energa. Para llenarlos, primero se coloca un electrn en cada orbital; a continuacin se llenan con el segundo electrn.EII 441-01 Andrea Fredes4848



EII 441-01 Andrea Fredes51La comprensin de muchas propiedades fsicas de los materiales se basa en la comprensin de las fuerzas interatmicas que enlazan los tomos.Estas interacciones dependen mucho de la distancia y posicionamiento espacial entre tomos.Estas fuerzas pueden ser de atraccin y repulsin (relacionadas con sus cargas elctricas), y la resultante de la combinacin de estas fuerzas, es la que determina el tipo de interaccin entre tomos, en lo que se llama enlace atmicoEnlacesEl siguiente grfico, esquematiza la distancia a la que se encuentran los tomos de acuerdo a la suma de fuerza de atraccin y repulsin, o tambin visto desde el prisma de un menor estado energtico.Enlaces

En los slidos existen tres tipos de enlaces:Enlaces inicos: es el enlace conformado por un elemento metlico y un no metlico. Los electrones de valencia del metlico se acoplan con los electrones faltantes del no metlico, creando un compuesto con configuracin de gas inerte.Un ejemplo clsico de enlace inico es la sal comn, el cloruro de sodio, NaClEnlaces

Enlaces covalentes: estos enlaces se logran entre elementos que comparten electrones de valencia.Estos electrones se consideran de ambos tomosEste enlace aparece en slidos elementales, como el carbono (diamante), silicio, algunos no metlicos (H2,Cl2, etc), o molculas como las de naturaleza orgnica (CH4) y el agua (H2O)Enlaces

Enlaces metlicos: se presenta en metales y aleaciones.Los metales presentan uno, dos o a lo sumo tres electrones de valencia.Estos electrones circulan libremente a travs de todo el metal. Conforman una nube electrnicaDebido a esta circulacin de electrones, son buenos conductores del calor y la electricidad.Enlaces

Enlaces

Estructura cristalinaLos materiales slidos se pueden clasificar de acuerdo al arreglo existente entre sus tomos o iones.

En algunos casos, los tomos se sitan en una disposicin repetitiva y peridica a lo largo de muchas distancias atmicas, dando a lugar a lo que se conoce como estructura cristalina.

Los metales, algunos cermicos y algunos polmeros adquieren estas estructuras en condiciones normales de solidificacin

Estructura cristalinaDe este ordenamiento dependen muchas propiedades de los slidos cristalinos.

El caso ms analizado corresponde a la estructura de los metales, que poseen un ordenamiento atmico relativamente simple.

El orden atmico de los slidos cristalinos se puede reducir a un ordenamiento que se repite en el espacio, denominado celda unitaria.

Estructura cristalinaLa mayora de los metales ms corrientes, se dividen en tres estructuras cristalinas, a saber:

Estructura cbica centrada en las caras (Face Centered Cubic, FCC)

Estructura cbica centrada en el cuerpo (Body Centered Cubic, BCC)

Estructura Hexagonal compacta (Hexagonal Close Packed, HCP)

Composicin QumicaEs el porcentaje en peso de cada elemento presente en un material.Las propiedades de un material de puro carbn es diferente a uno de puro fierro.Un diamante se comporta diferente a un grafito aunque ambos tienen 100% tomos de carbn puro. Por qu?

Microstructure of Alumina Porcelain Body

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