Materiales

El Mars Rovers - Spirit y Opportunity

El Spirit y el Opportunity están hechos de materiales como:* Metales *Ceramicos *Composites *Polimeros * Semiconductores

www.nasa.gov

¿Qué es un material?

• Se puede definir como la sustancia de la que están hechas las cosas.

• Se obtienen de la corteza terrestre y de la atmósfera.

• Ejemplos :- El Silicio y el Hierro constituyen el

27,72 y el 5,00 por ciento del peso de la corteza terrestre, respectivamente.

El Nitrogeno y el Oxígeno constituyen el 78.08 y el 20.95 por ciento del volumen del aire seco, respectivamente.

¿Porqué es importante el estudio de los materiales?

• La Producción y el Procesamiento de los materiales constituyen una gran parte de nuestra economía.

• Se deben elegir los materiales adecuados al diseño.• Se necesitan nuevos materiales para nuevas

aplicaciones Ejemplo :- Materiales resistentes a la temperatura. La estación espacial y el Mars Rovers deben

soportar las condiciones del espacio. * Alta velocidad, baja temperatura, fuertes pero

livianos

• La modificación de las propiedades puede ser necesaria para ciertas aplicaciones.

Ejemplo :- Tratamiento térmico.

Ciencia de los materiales

• Trata del conocimiento básico de la estructura interna, las propiedades y el procesamiento de los materiales.

• Este conocimiento se utiliza para convertir los materiales en productos.

Conocimiento resultante de la estructuray propiedades

Conocimiento Aplicado deMateriales

Ciencia de Materiales Diseño Ingeniería de Materiales

Conocimiento Básico de losmateriales

Tipos de Materiales

• Materiales Metálicos

Compuestos de uno o más elementos metálicos. Ejemplo:- Hierro, Cobre, Aluminio.

Los elementos metálicos pueden combinarse con no metales.

Ejemplo:- Carburo de Silicio, Óxido de hierro

Son inorgánicos y tienen estructura cristalina Son buenos conductores eléctricos y térmicos

Metales y Aleaciones

Ferrosos Ej: Acero,

Hierro

No ferrososEj:CobreAluminio

Tipos de Materiales

• Materiales poliméricos (plásticos) Moléculas gigantes, en general no cristalinas. Algunas tienen regiones cristalinas y no

cristalinas. Malos conductores de la electricidad, usados

como aislantes. La ductilidad y dureza varían

apreciablemente. Baja densidad y temperatura de

descomposición

Ejemplos :- Cloruro de Poli Vinilo (PVC), Poliéster.

Applicaciones :- Electrodomésticos, DVDs, Telas etc.

Tipos de Materiales

• Materiales Ceramicos Elementos metálicos y no metálicos unidos

químicamente. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o una mezcla de

ambos. Duros, fuertes y con resistencia al desgaste. Buenos aislantesOtras aplicaciones : Abrasivos, materiales de

construccion, utensilios etc.

Ejemplo:- Porcelana, Vidrio.

Tipos de Materiales

• “Composites” Mezclas de dos o más materiales. Consisten en un material de relleno y uno de unión. Los materiales se unen pero no se mezclan. Dos tipos principales :-

o Fibrosos: Fibras en una matrizo Particulares: Particulas en una matrizo La Matriz puede ser metal, ceramico o polímero

Ejemplos :- Fibra de vidrio ( Material de refuerzo en una

matriz de poliester o epoxy) Concreto ( Grava o barras de acero reforzado en

cemento y arena) Aplicaciones:- Alas de avión, construcción de motores.

Competencia entre Materiales

• Los materials compiten entre ellos por su supremacía en el mercado.

• El uso de los diferentes materiales depende de su costo y prestaciones.

• Materiales nuevos, más baratos o mejores reemplazan a los viejos cuando hay un avance en la tecnología.

Example:-

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

lb/C

ar1985 1992 1997

Model Year

Aluminio

Hierro

Plastico

Acero

Uso de materiales en automóviles.

After J.G. Simon, Adv. Mat. & Proc., 133:63(1988) and new data

Tendencias Futuras

• Materiales Inteligentes : Cambian sus propiedades por estímulos externos. Aleaciones con memoria: Los materiales sometidos

a esfuerzo vuelven a tomar su forma a cierta temperatura

se utilizan en válvulas de corazón

Materiales piezoeléctricos: producen un campo eléctricos cuando se exponen a fuerzas o viceversa. Se usan en actuadores y en reducidores de vibración.

MEMS y Nanomateriales

• MEMS: Sistemas Microelectromecánicos. Miniaturas Micro-bombas, sensores

• Nanomateriales: Tamaño característico < 100 nm

Ejemplos: polvos cerámicos Los nanomateriales son más fuertes y resistentes. Tienen características biocompatibles.

Caso de Estudio –Selección de Material

• Problema: Elegir el material adecuado para el cuadro y horquilla de una bicicleta.

Acero y aleaciones

Madera

Fibra de carbono Plástico

Reforzado

Aleacionesde

aluminio

Aleacionesde Ti y Mg

Bajo costo pero pesado. Menor

resistencia acorrosión

Ligero y fuerte. Pero

no puedemoldearse

Muy liviano y fuerte. Sin corrosion.Muy caro

Liviano, bastantefuerte. Resistente

a corrosión.Caro

Mejor que elAluminio.

Y muchísimo más caro

¿Costo importante? Seleccionar acero¿Propiedades importantes? Seleccionar FCPR

Caso de Estudio : Falla en los diseños

Puente sobre el río mississippi – Agosto 2007

Posibles causas de la falla

• Diseños obsoletos: el puente fue diseñado en 1961 y finalizado en 1967, con una vida útil esperada de 50 años.

• Sobrecarga: no fue diseñado para el tránsito ni los automóviles que circulan hoy día.

• Materiales: se han hecho muchos avances en materiales para construcción de puentes.

• Fatiga + Corrosión: el ambiente corrosivo al que fue expuesto pudo haber acelerado la fatiga del material. Hoy día se están pensando nuevos materiales poliméricos que puedan disminuir estos riesgos