INGENIERA DE MATERIALES

INGENIERA DE MATERIALESTercer Semestre de Ingeniera en Mecatrnica

01 de Octubre de 20141. Introduccin a los materiales1.1 Perspectiva histrica

1.2 Materiales en Ingeniera

1.3 Tipos de materiales

1.4 Introduccin a la Ingeniera de materiales: conceptos qumicos bsicos y estructuras cristalinas.

1.1 Perspectiva histrica

Qu es la Ciencia e Ingeniera de Materiales?Es un campo interdisciplinario de la ciencia e ingeniera que estudia y manipula la composicin y estructura de los materiales, para controlar las propiedades a travs de la sntesis y el procesamiento.

Discos de xido de aluminio (almina) en donde se muestra su capacidad ptica: transparente, translucido y opaco. La diferencia entre ellos es la estructura como resultado del procesamiento.1.2 Materiales en la IngenieraClasificacin de los MaterialesMetalesCermicosPolmerosCompsitosMateriales avanzadosSemiconductoresBiomaterialesMateriales inteligentesNanomaterialesEstructuraCristalinosPolicristalinosMonocristalinos Amorfos

Clasificacin de los Materiales

METALES

CERMICOS

POLMEROSMecnicasTrmicasElctricasMagnticaspticas Qumicas Propiedades de los MaterialesUn componente debe resistir a la aplicacin de una carga, ya sea dinmica o esttica.

El comportamiento mecnico de un material est directamente relacionado con el tipo de material empleado.

Adicionalmente, la densidad juega un papel importante, debido a que de ella depende la ligereza del componente.Propiedades Mecnicas

Es importante conocer el comportamiento de los materiales respecto de la temperatura. La temperatura mxima de trabajo, limita el empleo de cierto material en aplicaciones a altas temperaturas.El coeficiente de expansin trmica, la conductividad y la capacidad calorfica son elementos de gran utilidad a la hora de disear piezas o mecanismos. Propiedades Trmicas

Los materiales que se emplean como conductores de energa elctrica son el cobre y el aluminio.Adicionalmente se tienen que emplear revestimientos para aislar la corriente elctrica.Las propiedades dielctricas de los materiales (son aislantes de corriente elctrica y bajo la influencia de un campo elctrico se establece en su interior un campo elctrico. Si se sobrepasa la ruptura del campo dielctrico, el material se vuelve conductor.Propiedades Elctricas, Magnticas y pticas

Los materiales magnticos pueden ser de dos tipos: duros y suaves. Los primeros tienen un campo magntico permanente y los suaves solo existe en presencia de un campo externo y es temporal.Materiales responden a la luz, as como a la electricidad y al magnetismo. Los materiales pueden reflejar la luz, la pueden refractar y algunos pueden absorber ciertas longitudes de onda y permitir que otras pasen a travs de ellos.

El comportamiento de los materiales a los agentes qumicos, vara dependiendo del tiempo de exposicin, la temperatura y otros factores.El diseo de dispositivos, debe de realizarse tomando en cuenta el medio de funcionamiento o en dado caso, considerar un recubrimiento que impida la degradacin del componente.Propiedades Qumicas

Carta de propiedades

1.4 Introduccin a la Ingeniera de Materiales: Conceptos qumicos bsicos y estructuras cristalinasNivel de estructuraEjemplo Estructura atmica(10-10 m o 1 )Diamante (C-C)Arreglos atmicosOrden de largo alcance(10 nm a cm)PZT [Pb((ZrxTi1-x)O3]

Brocas con insertos de diamantePZT

Nivel de estructuraEjemplo Arreglos atmicosOrden de corto alcance(1-10 )Iones de vidrios basados en slice.Nanoestructura (10-9 10-7 m, 1-100 nm)Partculas de xido de hierro.

Fibra de vidrio

Ferrofluidos

Nivel de estructuraEjemplo Microestructura( >10-7 a 10-4 m, 0.1 a 100 m)Granos de algunos metalesMacroestructura ( >10-4 m, >100000 nm o 100 m)

Recubrimientos como pinturas.

Conceptos bsicosEl tomo: Unidad bsica fundamental, compuesta por protones, neutrones y electrones.La carga elctrica q que tiene cada electrn y protn es de 1.60X10-19 coulombs (C).El nmero atmico es igual al nmero de protones que tiene el tomo.El tomo es elctricamente neutro.La mayor parte de la masa del tomo est contenida dentro del ncleo. La masa atmica de cada protn y neutrn es de 1.67X10-24g.El Nmero de Avogadro, NA=6.022X1023 tomos/mol, es el nmero de tomos o molculas en un mol.La masa atmica (M), de un elemento est dada en g/mol o uma (unidad de masa atmica).PROBLEMAS.

Calcule el nmero de tomos en 100 g de plata (Ag).Empleando las densidades y los pesos atmicos, calcule y compare el nmero de tomos por cm3 de a) Plomo y b) Litio.Calcule el nmero de tomos de hierro en una tonelada.Calcule el volumen en centmetros cbicos ocupado por un mol de boro.Para chapar una parte de acero que tiene un rea de superficie de 200 in2 con una capa de nquel de 0.002 in de espesor: a)Cuntos tomos de nquel se requieren? Y b) cuntos moles de nquel se requieren?

Estructura atmica del sodio. Se muestran sus electrones en las capas cunticas K, L, y M. Su nmero atmico es 11.

Capas cunticas: K, L, M, N, O, PNiveles de energa: s. p, d, f, g, hTipos de enlace:Enlace metlicoEnlace covalenteEnlace inicoEnlaces de van der Waals

Enlace metlico

Enlace covalente

Enlace inico

Enlaces de van der Waals

Enlaces mixtos

Niveles de arreglos atmicos en los materiales : a) sin orden, b) y c) orden de corto alcance y d)orden de largo alcance.

a) Fotografa de un monocristal de silicio y b) micrografa de un acero inoxidable policristalino que muestra los granos y los lmites de grano.

Clasificacin de los materiales con base en el tipo de orden atmico.

Red, celdas unitarias y estructuras cristalinasCelda unitaria y parmetros de red

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Definicin de los parmetros de red.

a) La ilustracin muestra cmo se comparten los tomos en las caras y las esquinas, b)Modelos para las celdas unitarias cbica simple, cbica centrada en el cuerpo y cbica centrada en las caras.Nmero de tomos por celda: Es la cantidad de tomos que le pertenecen slo a la celda unitaria.Nmero de coordinacin: Es el nmero de tomos que tocan a un tomo en particular. Este nmero es un indicativo de qu tan estrecha y eficientemente estn empaquetados los tomos entre s.Factor de empaquetamiento: Tambin conocida como fraccin de empaquetamiento atmico, es la fraccin del espacio ocupado por los tomos, suponiendo que los tomos son esferas duras.Densidad: La densidad terica de un material puede calcularse empleando las propiedades de la estructura cristalina.

30Estructura compacta hexagonal y su celda unitaria.

Caractersticas de las estructuras cristalinas de algunos metales a temperatura ambiente..Los materiales con ms de una estructura cristalina se les llama alotrpicos o polimrficos, el primero est reservado para los elementos puros y el segundo se utiliza en compuestos.El carbono puro presenta varios altropos que se forman a diferentes temperaturas y presiones. Los ms conocidos son (a) el grafito y (b) el diamante. Otros altropos son las estructuras bucybaln (c) y los nanotubos de carbono (d).

Puntos, direcciones y planosSe pueden localizar ciertos puntos de inters en la celda unitaria empleando un sistema coordenado.La nomenclatura de un punto es como se muestra en la figura: x, y, z.

Direcciones: Son de particular importancia, ya que se utilizan para indicar una orientacin en particular de un monocristal o de un material policristalino orientado.Algunos materiales se deforman con mayor facilidad en las direcciones a lo largo de las cuales los tomos estn en mayor contacto.En otros como el hierro, las propiedades magnticas dependen de la direccin en la que estn orientados.ndices de MillerLos ndices de Miller son la notacin abreviada para describir las direcciones.Utilice un sistema de coordenado y determine las coordenadas de los dos puntos que forman la direccin.Coloque los dos puntos como una resta (final-inicio).Elimine fracciones y/o reduzca a mnimos enteros.Encierre entre corchetes [ ]. Si se produce un signo negativo, represente el signo mediante una barra en la parte superior del nmero.

FAMILIAS DE DIRECCIONESPlanos en la celda unitaria:Identifique los puntos del plano donde intersecta los ejes de coordenadas. Si el plano pasa por el origen, debe cambiarlo.Tome los recprocos de las intersecciones.Elimine fracciones pero no reduzca a mnimos enteros.Encierre entre parntesis ( ) los nmeros resultantes. Escriba el negativo con una barra en la parte superior del nmero.

Familias de planosDensidad planar y empaquetamiento.

El sistema hexagonal, es un caso especial y se disearon los ndices de Miller-Bravais [h k i l ] para direcciones y (h k i l) para planos.

Sitios Intersticiales:Son los espacios que hay entre los tomos en una celda unitaria. Los tipos y caractersticas se presentan en la siguiente tabla:

Sitios intersticiales en el sistema cbicoEstructuras cristalinas inicas y covalentes.Cloruro de sodioCloruro de cesio

Blenda

Fluorita

Estructura de la perovskita

Estructura del corindn

(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson LearningEstructura del diamante

Estructura de la sliceEstructura del polietileno

Tcnica de difraccin de rayos XDifraccin - La interferencia constructiva, o refuerzo, de un haz de rayos X o electrones que interactan con un material. El haz difractado proporciona informacin til relativa a la estructura del material. La ley de Bragg - La relacin que describe el ngulo en el que un haz de rayos X de una longitud de onda particular difracta de planos cristalogrficos de un espaciado interplanar dado. En un difractmetro de un detector de rayos X en movimiento registra los ngulos 2y en el que se difracta el haz, dando un patrn de difraccin caracterstico.

(a) Destructivos y (b) el fortalecimiento de las interacciones entre los rayos X y el material cristalino. En el refuerzo se produce en ngulos que satisfacen la ley de Bragg.

Difractmetro

(a) Esquema de un difractmetro, mostrando en la muestra de polvo, haces incidente y difractado. (b) El patrn de difraccin obtenido de una muestra de polvo de oro.

Una micrografa TEM de una aleacin de aluminio (Al-7055) de la muestra. El patrn de difraccin de arriba muestra grandes manchas brillantes que representan la difraccin de los principales granos de la matriz de aluminio