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MATERIALES PARA INGENIERÍA. Profesor: Dr. Ing. Jorge Acevedo. Discusión. El conocimiento de las características de los materiales o de la ciencia de los materiales ¿Qué importancia tiene en la formación de un Ingeniero Mecánico?

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materiales para ingenier a

MATERIALES PARA INGENIERÍA

Profesor: Dr. Ing. Jorge Acevedo

discusi n
Discusión
  • El conocimiento de las características de los materiales o de la ciencia de los materiales ¿Qué importancia tiene en la formación de un Ingeniero Mecánico?
  • ¿Qué diferencia existe entre un ingeniero mecánico y un ingeniero metalúrgico?
  • ¿Esta asignatura está más cerca de los metalúrgicos o de los mecánicos?
introducci n a la ciencia e ingenier a de los materiales
Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
  • Introducción a los materiales
  • Clasificación de los materiales
  • Historia de los metales
  • Estructura atómica y enlace
  • Estructuras y geometrías cristalinas
ciencia e ingenier a de los materiales
Ciencia e Ingeniería de los Materiales

ESTRUCTURA INTERNA

CIENCIA DE MATERIALES

PROPIEDADES

PROCESADO DE MATERIALES

CONOCIMIENTO BÁSICOS

INGENIERÍA DE MATERIALES

DISEÑO DE PRODUCTOS

APLICACIÓN

CIENCIA DE MATERIALES

CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

INGENIERÍA DE MATERIALES

introducci n
Introducción

La disponibilidad, sus propiedades y características físicas y químicas, sus usos y aplicaciones son radicalmente diferentes, pero todos forman parte del mundo de los materiales

2 clasificaci n de los materiales
2. Clasificación de los materiales
  • Metales
  • Cerámicos
  • Polímeros y Elastómeros
  • Semi-conductores
  • Materiales Compuestos

¿Qué los diferencia?

Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

tipos de enlaces at micos
Tipos de enlaces atómicos

Enlaces iónicos: en este tipo de enlaces actúan fuerzas intermoleculares relativamente grandes. Es un enlace no direccional y relativamente fuerte

  • Los enlaces atómicos son aquellos que desarrollan grandes fuerzas interatómicas:

Enlaces metálicos: Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por el intercambio de eléctronesdeslocalizados que conducen a la formación de un fuerte enlace no direccional entre átomos

Enlaces covalente: Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por el intercambio de electrones entre átomos dando lugar a un enlace direccional

Enlaces iónicos

Enlaces atómicos primarios

Enlaces covalentes

Enlaces metálicos

Enlaces de dipolo permanente

Enlaces atómicos secundarios y moleculares

Enlaces de dipolo oscilante

2 clasificaci n de los materiales1
2. Clasificación de los materiales
  • Metales
  • Cerámicos
  • Polímeros y Elastómeros
  • Semi-conductores
  • Materiales Compuestos

¿Qué los diferencia?

Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

metales
Metales

Son sustancias inorgánicas

Formados por 1 o más elementos metálicos

Puede contener elementos no metálicos

Hierro, Cobre, Aluminio, Níquel y Titanio

Carbono

Nitrógeno

oxígeno

Características:

Su estructura cristalina es ordenada

Son buenos conductores

Alta resistencia mecánica

Metales y aleaciones ferrosas

Metales y aleaciones

NO ferrosas

metales1
Metales

Metales y aleaciones

NO ferrosas

Metales y aleaciones ferrosas

% hierro despreciable

Aluminio

Cobre

Cinc

Titanio

Níquel

Aceros y hierros fundidos

aceros y hierros fundidos
Aceros y hierros fundidos
  • El Acero es una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,03% hasta menos de un 2%). Según su composición química y su tratamiento térmico es la aplicación que pueden tener
  • Hierro fundido es sinónimo de fundición gris: Las fundiciones grises son aleaciones hipoeutécticas que tienen una composición que varía entre 93 y 93,8 % de hierro, 2,5 y 4,1 % de C y 1 a 3% de Si
  • Son de fácil mecanizado
  • Punto de fusión entre los 1200 y 1300°C
clasificaci n de los metales no ferrosos
CLASIFICACIÓN DE LOS METALES NO FERROSOS

PESADOS

LIGEROS

ULTRA-LIGEROS

ESTAÑO

COBRE

CINC

PLOMO

ALUMINIO

TITANIO

MAGNESIO BERILIO

Tarea 1: Analice las propiedades mecánicas y

físicas de cada uno de estos metales no ferrosos y comente:

¿Porqué se diferencian en pesados, ligeros y ultra-ligeros?

Sugiero mirar: http://www.matweb.com/search/MaterialGroupSearch.aspx

metales no ferrosos pesados
METALES NO FERROSOS PESADOS
  • Por ejemplo: El COBRE tiene las siguientes propiedades:

ROJIZO

BLANDO

DÚCTIL

MALEABLE

TENAZ

CONDUCTOR TÉRMICO

ALTA RESISTENCIA A LA CORROSIÓN

EXCELENTE CONDUCTOS DE LA ELECTRICIDAD

metales y aleaciones no ferrosas
Metales y aleaciones NO ferrosas

Ti-Ni

Rollo de soldadura

2 clasificaci n de los materiales2
2. Clasificación de los materiales
  • Metales
  • Cerámicos
  • Polímeros y Elastómeros
  • Semi-conductores
  • Materiales Compuestos

¿Qué los diferencia?

Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

cer micos
Cerámicos

Son materiales inorgánicas

Formado por elementos metálicos y no metálicos

Su estructura puede ser cristalina o amorfa o mezcla

Alta dureza

Resisten altas temperaturas

Son frágiles

Resistentes a la humedad

Aislante del calor

Reducida fricción

2 clasificaci n de los materiales3
2. Clasificación de los materiales
  • Metales
  • Cerámicos
  • Polímeros y Elastómeros
  • Semi-conductores
  • Materiales Compuestos

¿Qué los diferencia?

Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

pol meros
Polímeros

macromoléculas

Formado por largas cadenas de moléculas orgánicas llamadas monómeros

En general son no cristalinos

La resistencia es variable

Aislantes de la electricidad

Algunos son buenos aislantes eléctricos

pol meros1
Polímeros
  • En 1906, el químico Belga-Americano Leo HendrikBaekeland, descubre una resina sintética, llamada baquelita. Asimismo, en este año se desarrollo el rayón.
  • En la década de los 60 en la búsqueda de un material que sustituyera las bolas de billar por el marfil (escaso). Wesley Hyatt de un modo casual el compuesto de nitrato de celulosa, alcanfor y alcohol, llamado piroxilita, sometido a presión y temperatura, se formaría un nuevo material denominado celulosa.
pol meros2
Polímeros
  • Entre 1920 y 1930 surgen: El Acetato de celulosa, el cloruro de polivinilo (PVC), este último para gafas.
  • En 1938, surge el PTFE (poli tetrafluoretileno, más conocido como TEFLÓN)
  • Entre los años 40 y 50 aparecen el caucho sintético y el poliéster
baquelita
Baquelita
  • Es un material termoestable
  • Dieléctrico
  • Resistente al agua, ácidos y calor
  • Puede ser pulido y mecanizado

Trozo de pieza a analizar

ray n
Rayón
  • Fabricado a partir de celulosa y nitrato de celulosa
  • Fibra sintética capaz de sustituir a la lana y al algodón
  • Se fabrican materiales textiles filtros y también aplicaciones eléctricas
tefl n
Teflón
  • Anti adherente
  • Resistente al calor
  • Inerte
2 clasificaci n de los materiales4
2. Clasificación de los materiales
  • Metales
  • Cerámicos
  • Polímeros y Elastómeros
  • Semi-conductores
  • Materiales Compuestos

¿Qué los diferencia?

Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

elast meros
Elastómeros
  • Aquellos polímeros que presentan un comportamiento elástico
  • Los monómeros para formar el polímero están normalmente compuesto de carbono, hidrógeno, oxígeno o silicio
  • Se usan principalmente para cierres herméticos, adhesivos y partes flexibles
caucho sint tico
Caucho sintético
  • Excelentes propiedades de elasticidad y resistencia ante los ácidos y sustancias alcalinas
  • Aislante de la T y la electricidad
  • Repelente al agua
  • Ampliamente utilizado para la fabricación de neumáticos
  • Artículos impermeables y aislantes
poli ster pet
Poliéster, PET
  • Se endurece a la temperatura ordinaria y es muy resistente a la humedad, a los productos químicos. Posee una buena resistencia mecánica
  • PET: El tereftalato de polietileno, politereftalato de etileno, polietilentereftalato o polietileno tereftalato
clasificaci n de los pol meros
Clasificación de los polímeros

Según el monómero base los polímeros se clasifican en:

  • Polímeros naturales
  • Polímeros sintéticos

Según su comportamiento al calor:

  • Termoplásticos
  • Termoestables

Según su síntesis:

  • Polímeros por condensación
  • Polímeros por adición

Según su composición química:

  • Polímeros orgánicos
  • Polímero vinílicos
  • Orgánicos no vinílicos

Tarea 1: Definir brevemente cada una de estas categorías

clasificaci n de los pol meros1
Clasificación de los polímeros

Según sus aplicaciones:

  • Elastómeros
  • Plásticos
  • Fibras
  • Recubrimientos
  • Adhesivos
2 clasificaci n de los materiales5
2. Clasificación de los materiales
  • Metales
  • Cerámicos
  • Polímeros y Elastómeros
  • Semi-conductores
  • Materiales Compuestos

¿Qué los diferencia?

Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

semi conductores

Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc.

Semi-conductores
  • Ejemplo de semi conductores:
  • Si (Silicio)
  • Ge (Germanio)
  • Se (Selenio)
  • Un semi conductor tiene características intermedias entre un conductor y un aislante
  • El primer semi conductor que fue creado fue el Ge, se denominó transistor y fue el comienzo de la electrónica moderna.

En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares

En especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores

materiales compuestos
Materiales Compuestos
  • Materiales compuestos son aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales
  • Vigas de hormigón con fierro
materiales compuestos1
Materiales Compuestos

Tarea 1:

  • ¿Qué es un material compuesto?
  • ¿Por qué existen?
  • ¿Cuáles son sus aplicaciones?
  • ¿Qué propiedades mecánicas tienen?
  • COMENZAR EN LA PRÓXIMA TRANSPARENCIA
3 historia de los materiales

Edad de Piedra

Edad de Bronce

Edad de Hierro

Edad contemporanea

0

500

1000

9000

5000

3000

1500

800

1300

1800

2000

1000

500

100

7000

2000

1500

Fibras

Ladrillos de barro

Alfarería

Rueda de alfarerero

Pictografías

Escritura

Seda

Vidrio colado

Cerámicas hechas a mano

Vidrio soplado

Papel

Porcelana China

Johannes Gutenberg, imprenta

Leonardo da Vinci

Los plásticos sintéticosaleaciones-Al, vidrio plano, seda Artificial, superaleaciones, materiales compuestos, materiales electrónicos, cerámica de alta tecnología

AC

DC

3.Historia de los materiales
edad de los metales
Edad de los Metales
  • Los objetos metálicos más antiguos conformadosartificialmente son unas cuentas de cobre encontradas en el norte de Irak; octavo y noveno milenio a.C. Estas piezas son de cobre natural y fueron conformadas mediante martillo y yunque.
  • en la región de los Grandes Lagos en Estados Unidos los nativos utilizaron cobre natural alrededor del segundo milenio a.C. El hombre manipuló compuestos metálicos con mucha anterioridad a las fechas mencionadas.
  • LA EDAD DE COBRE
  • La maleabilidad del cobre permite una fácil manipulación:
  • Si se lo somete a la acción del calor, se funde y adquiere la forma del recipiente o molde donde es volcado. Al enfriarse, retiene esa forma y se vuelve tan duro como la piedra. De esta manera, el cobre presentó mayores ventajas que la piedra; una herramienta de cobre puede volverse a afilar y, si se rompe, puede fundirse de nuevo
edad de los metales1
Edad de los Metales

LA EDAD DE BRONCE:

  • Más tarde, el cobre fue fundido con el estaño y el hombre consiguió el bronce. Lo utilizó sobre todo para la fabricación de cuchillos, espadas y puñales.
  • Por último, al trabajar el hierro, los hombres pudieron desmontar selvas, cazar animales peligrosos, construir embarcaciones, edificar ciudades.
t cnicas empleadas
Técnicas empleadas
  • Martilleo forjado en frío: se puede considerar una técnica propia de la Edad de la Piedra, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.
t cnicas empleadas1
Técnicas empleadas
  • Recocido: la aplicación moderada de calor que permite el reblandecimiento del metal a fin de facilitar su conformación mediante el martilleo.
  • Fundición: fue posible cuando el hombre aprendió a confinar el calor para que alcanzara temperaturas cada vez mayores, hasta lograr que el metal fuera "líquido", condición que le impuso o le sugirió la necesidad de darle forma una vez que se enfriara, lo que desembocó en la cuarta y última etapa.
  • Moldeo: para darle una forma específica al metal ya fundido es preciso depositarlo en algún recipiente adecuado que lo aloje mientras se lleva a cabo el enfriamiento con la consecuente solidificación del metal. Entretanto, cabe la posibilidad de utilizar el martilleo para obtener la forma deseada.
  • Edad del Cobre precedió a la Edad del Hierro ya que el cobre funde a 1 083 °C mientras que el hierro lo hace a 1 537°C
elementos en forma natural
Elementos en forma natural

Más de la mitad de la corteza terrestre está constituida por sólo siete elementos:

introducci n a la ciencia e ingenier a de los materiales1
Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales
  • Introducción a los materiales
  • Clasificación de los materiales
  • Historia de los metales
  • Estructura atómica y enlace
  • Estructuras y geometrías cristalinas
4 estructura at mica y enlace
4.- Estructura atómica y enlace
  • Átomos: Están constituidos por tres partículas subatómicas
  • Número de Avogadro (masa atómica)
  • De la tabla periódica de los elementos químicos. Se tiene:

Corrección: Na = 6,023x10E23 átomos del elemento

4 estructura at mica y enlace2
4.- Estructura atómica y enlace

Número atómico

Elemento químico abreviado

Nombre del elemento químico

Masa atómica del Cu en g/mol

4 estructura at mica y enlace3
4.- Estructura atómica y enlace
  • (a)¿Cuál es la masa en gramos de un átomo de Cu?
  • (b)¿Cuántos átomos de Cu hay en 1 g de Cu?
  • Solución:
  • (a) La masa atómica del cobre es 63,54 g/mol. Teniendo en cuenta que en 63,54 g de Cu hay 6,023x10E-23 átomos, el número de gramos en un átomo de Cu es:
  • =
4 estructura at mica y enlace4
4.- Estructura atómica y enlace
  • (b) El número de átomos de cobre en un gramo de cobre es
  • =
5 estructuras y geometr as cristalinas
5.- Estructuras y geometrías cristalinas

Estructura física de los materiales

Átomos, iones y moléculas

Disposición, orden y enlace

Tres dimensiones

Sólido cristalino o material cristalino

Metales, aleaciones y algunos cerámicos

5 estructuras y geometr as cristalinas1
5.- Estructuras y geometrías cristalinas

La disposición de la estructura física de los materiales

Considera los átomos como puntos espaciales que son unidos por líneas

Red espacial

Donde las longitudes axiales a,b y c y los ángulos son las constantes reticulares

5 estructuras y geometr as cristalinas2
5.- Estructuras y geometrías cristalinas

A. J. Bravais mostró que 14 celdillas unidad estándar describen todas las redes posibles

Tres celdillas unidad existen

Cúbica simple

Cúbica centrada en el cuerpo

Cúbica centrada en las caras

Estructura cristalina simple

Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC)

5 estructuras y geometr as cristalinas4
5.- Estructuras y geometrías cristalinas

Nivel atómico

Nivel cristalográfico

Nivel microestructural

Ejemplos de estructuras atómicas

Aluminio

(estructura cúbica)

Magnesio

(estructura hexagonal)

5 resumen
5.- Resumen
  • La distribución atómica en sólidos cristalinos se puede describir mediante un retículo espacial
  • El retículo espacial puede describirse especificando las posiciones atómicas de una celdilla unidad que se repite
  • Hay 7 sistemas cristalinos basados en la geometría de las longitudes axiales y ángulos interaxiales de una celdilla unidad
  • Estos 7 sistemas cristalinos tienen un total de 14 subretículos (celdillas unidad)
  • Las estructuras más comunes son:
  • Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
  • Cúbica centrada en las caras (FCC)
  • Hexagonal compacta (HPC), esta es un variante de la estructura hexagonal simple.
propiedades del comportamiento y manufactura de materiales
Propiedades del comportamiento y manufactura de materiales

Propiedades Físicas y Químicas

Estructura de Materiales

Propiedades Mecánicas

Modificación de propiedades

Enlaces atómicos

Arreglos atómicos

Cadenas Moleculares

Cristalografía

Cohesión

Resistencia

Deformación

Ductilidad

Elasticidad

Plasticidad

Dureza

Tenacidad

Resiliencia

Maleabilidad

Densidad

Peso específico

Punto de fusión

Transición vítrea

Calor especifico

Conductividad térmica y eléctrica

Magnetismo

Corrosión

Tratamiento Térmico

Tratamiento superficial

Laminaciones

Cargas

Aleaciones

Modificación tamaño de grano