Ciencia de Materiales I(curso 2005-6)

Dr. Miguel Ángel Arranz MongeDpto. Física Aplicada

Fac. CC. Químicas. UCLM

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Temario de la asignatura

1) Introducción a la Ciencia de Materiales. Tipos de materiales: clasificación y propiedades generales

2) Propiedades mecánicas en metales y métodos de obtención de los metales. Mecanismos macroscópicos de la deformación plástica

3) Transporte eléctrico en metales y semiconductores4) Diagramas de fases. Solidificación, defectos y difusión

en sólidos5) Propiedades magnéticas6) El acero

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Diseño de la asignatura (I)

• Clases presenciales– Horario: lunes y miércoles, 10:30 a 11:30– Presentaciones/explicaciones esquemáticas de la

asignatura– Dos clases presenciales por tema (T1, T2 y T3)– Examen tipo-test al término de cada tema– Material disponible en RedCampus/Web– Indicación de los puntos a desarrollar por el alumno

(seminarios). Máximo seis.

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Diseño de la asignatura (II)

• Seminarios– Trabajo del alumno. El profesor únicamente corrige, asesora o

evalúa las intervenciones

– 2 Seminarios por tema (tres grupos por seminario)

– 6 Grupos de entre 8 a 10 alumnos cada uno y compuestos por tres comisiones

– Intervenciones (cada grupo 20 min.)• Comisión A (exposición teórica 10 min.)• Comisión B (cuestiones teóricas 5 min.)• Comisión C (cuestiones/supuestos prácticos 5 min.)

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Diseño de la asignatura (III)

• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)

– Comisión A

• Un alumno elige y expone en el seminario alguno de los puntos seleccionados en clase por el profesor dentro de cada tema de la asignatura.

• En el turno de preguntas, otro alumno responde a las cuestiones teóricas de la comisión B de otro grupo (elegido al azar)

• La comisión A debe presentar al profesor un informe escrito de su exposición (material para el examen de la asignatura)

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Diseño de la asignatura (IV)• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)

– Comisión B

• Prepara una breve cuestión teórica para cada uno de los seis puntos propuestos por el profesor

• Realiza la pregunta y la discute con la comisión A correspondiente en el turno de preguntas

• Presenta por escrito al profesor un informe de las seis cuestiones con sus respuestas (material para el examen de la asignatura)

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Diseño de la asignatura (V)

• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)

– Comisión C

• Prepara y resuelve las seis cuestiones o supuestos prácticos propuestos por el profesor en clase

• Expone, explica y resuelve una de ellas (elegida al azar).

• Presenta por escrito al profesor un informe de las seis cuestiones con sus respuestas (material para el examen de la asignatura)

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Diseño de la asignatura (VI)

• Prácticas de laboratorio

– Enero (4 horas)

– Realización tutorizada y por grupos

– Prácticas en el laboratorio de investigación del Dpto. Física Aplicada

– Presentación de una breve memoria-informe

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Evaluación de la asignatura• Itinerario clásico (no participativo)

– Examen final obligatorio (100% nota)• Preguntas de desarrollo (explicadas en clase o de los seminarios)• Preguntas cortas (test)• Ejercicios-problemas largos

– Prácticas

• Itinerario nuevo (participativo)– Notas de participación en seminarios– Notas de los exámenes tipo-test– Prácticas– Examen final sólo optativo (o accesorio)

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Tema 1. Consideraciones generales

ÍNDICE

1) Definición de material2) Ciencia o Ingeniería de materiales3) Tipos de materiales4) Interrelación Estructura-Propiedades-Procesado en un material5) Uso actual de los diferentes materiales

• Diseño y selección• Competencia entre los distintos materiales

6) Tendencias futuras en el uso de los materiales7) Nuevos materiales

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Definición de material

Definición de “material”: substancia de la que cualquier cosa estácompuesta o hecha

Ejemplos habituales: madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel.

Importancia de la Ciencia de Materiales

Diseño y proceso de fabricación deproductos

Elección del material más adecuado (características, rentabilidad,…)

Desarrollo de su método de procesadoConocimiento de la estructura y propiedades de los materiales

Nuevos materiales y procesos de fabricación (ingeniería de materiales)

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Ingeniería y Ciencia de Materiales (I)• Ingeniería de diseño: crean nuevos productos/sistemas

– Uso de materiales ya conocidos– Uso de nuevos materiales (ej. Aviones supersónicos 12-25

Mach, aleaciones de Ti reforzadas con fibras de carburo de silicio)

• Ingeniería mecánica: uso de nuevos materiales en motores más eficientes

• Ingeniería eléctrica: uso de nuevos materiales para dispositivos electrónicos de alta velocidad de transmisión

• Ingeniería aeroespacial: uso de materiales con una relación resistencia/peso muy elevada

• Ingeniería química: uso de materiales resistentes a la corrosión¡Sólo son aplicaciones de los Materiales!

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Ingeniería y Ciencia de Materiales (II)

La Ciencia de Materiales estudia e investiga las propiedades, características y la estructura de los distintos materiales. Muestra a la Ingeniería dónde buscar el material adecuado a sus necesidades.

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Tipos de materiales (I)

• Metálicos (para desarrollar)– Tipo de substancia– Estructura cristalina– Propiedades físicas: conductividad eléctrica, térmica, etc…– Propiedades mecánicas: resistencia mecánica, ductilidad, etc…– Clasificación de los distintos materiales metálicos– Aplicaciones– Ejemplos gráficos

• Poliméricos (plásticos) (para desarrollar)• Cerámicos (para desarrollar)• Compuestos (“composites”) (para desarrollar)• Electrónicos (para desarrollar)

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Estructura-Propiedades-ProcesadoAspectos íntimamente conectados entre sí

El estudio de esta interrelación determina la elección del material

• Estructura del material (distintos niveles)– Atómica: carácterísticas (orbitales,…)– Cristalina: orden cristalino, empaquetamiento,…– Granular– Multifase

• Propiedades– Mecánicas: tipos e información obtenida– Físicas: tipos e información obtenida

• Técnicas de procesado (según material)– Calor: fundido, soldadura,…– Aplicación de fuerzas y forma: prensado, extrusión,…– Inyección

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Uso actual de los diferentes materiales(Diseño y selección)

A) Criterios para la elección de un material• Propiedades físicas y mecánicas adecuadas• Posibilidad de procesar o manufacturar el material fácilmente• Solución económica• No dañino para el medio ambiente

B) Efectos del entorno sobre el comportamiento del materialLa temperatura (altera las propiedades de los materiales)

- Los metales se funden o pierden parte de su propiedades- El tratamiento térmico es una técnica de reforzamiento- Los polímeros se deforman o se destruyen- Las bajas temperaturas pueden agrietar o romper el material

Acción de la atmósfera exterior (corrosión)-Reacción con el oxígeno u otros gases (sobre todo a alta temperatura)-Deterioro y ruptura prematura del material

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Material Tensión/m2

(A)Densidad (Mg/m3) (B)

A/B

Polietileno 7 0.83 8Al 45 2.7 17Al2O3 205 3.2 64Pegamento 100 1.4 71Aleación de Acero tratada térmicamente

1650 7.8 212

Aleación de Al tratada térmicamente

590 2.7 219

Compuesto de carbono-carbono

415 1.8 230

Compuesto de Kevlar-carbono

1170 4.4 266

Compuesto de carbono-pegamento

450 1.4 321

Aleación de Ti tratada térmicamente

550 1.4 393

1

2

3

4

5

6

A

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Material Resistencia a alta Temperatura

ManejabilidadMoldeado

Resistencia a la corrosión

Dureza/Fragilidad

Coste

Metales Media/ baja Alta Baja Alta MedioCerámicos Muy alta Muy baja Muy alta Muy baja BajoPolímeros Muy baja Muy alta Muy alta Diversa Varios

Eléctricos Propiedades eléctricas y ópticas únicas (electrónica y comunicaciones)

Compuestos Todo tipo de combinaciones en las propiedades físicas y mecánicas

B

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Ejemplo de selección de materialesBotellas para gases comprimidos (uso normal)• Materiales semiconductores

inapropiados en aplicaciones estructurales corrientes

• Los polímeros tienen una resistencia mecánica muy baja

• Los cerámicos son poco manejables (no dúctiles)

• Los materiales compuestos reforzados con fibras son muy resistentes pero muy costosos (sólo se eligen para una labor especial, bajo peso)

• Empleo de un metal

Aplicaciones aeroespaciales• Idem anterior.• Es prioritario el empleo de un material

resistente y poco pesado.• Se substituye el metal por un compuesto

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Competencia actual en el uso de los diferentes materiales

Factores de dependencia en su uso relativo

1. Coste2. Técnicas de

producción3. Material

específico

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Tendencias futuras en el uso de los materiales (I)

• Metálicos (medio-alto)– Su uso se mantiene o incluso aumenta– Nuevas técnicas de producción (granular, enfriamiento rápido)– Nuevas aleaciones (superaleaciones de Ni para alta temperatura,

aleaciones de Al y Ti). Industria aeroespacial• Cerámicos (bajo)

– Uso limitado por su dificultad de manejo (alta temperatura, componentes electrónicos

– Necesidad de nuevas técnicas de fabricación• Poliméricos (muy alto)

– Ya substituyen al vidrio, metal y papel (embalaje, construcción)– En el 2000 muchos plásticos habrán substituido a los metales (nylon,

resinas,…). Coste mucho menor.

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Tendencias futuras en el uso de los materiales (II)

• Compuestos (muy alto)– Principalmente plásticos reforzados con fibra (vidrio). Alto rendimiento y

resistencia.– Combinaciones fibra de vidrio-pegamento o grafito-pegamento se

emplean en aeronáutica o náutica.• Electrónicos (muy alto)

– Crecimiento espectacular desde 1970. Microelectrónica (chips de Silicio)

– Dispositivos electrónicos en la automatización de la vida cotidiana (robots)

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Algunos ejemplos de nuevos materiales• Aleaciones metálicas con memoria de forma (Ti-Ni, Ni-Mn-Ga),

aleaciones magnetoresistivas (Au-Cu), multicapas (Co-Cu, Gd-Co),…

• Cerámicos: materiales superconductores* (Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O) que transportan grandes cantidades de energía sin pérdida o disipación alguna

• Polímeros magnéticos (fulerenos, estructuras de carbono), polímeros “termointeligentes”

• Semiconductores magnéticos (dinámica y almacenamiento de “spines”, memoria FLASH)

• Compuestos: fluidos con partículas magnéticas recubiertas de polímero (medicina).

(*) para desarrollar