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 estructura

y propiedades

Conocimiento

Aplicado de

Materiales

Ciencia de Materiales Diseño Ingeniería de Materiales

Conocimiento

Básico de los

materiales

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 ferrosos

Ej:Cobre

Aluminio

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 aislantes

Otras 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 matriz

o Particulares: Particulas en una matriz

o 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

ar

1985 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

aleacionesMadera

Fibra de

carbono

Plástico

Reforzado

Aleaciones

de

aluminio

Aleaciones

de Ti y Mg

Bajo costo pero

pesado. Menor

resistencia a

corrosión

Ligero y

fuerte. Pero

no puede

moldearse

Muy liviano y

fuerte. Sin

corrosion.

Muy caro

Liviano, bastante

fuerte. Resistente

a corrosión.

Caro

Mejor que el

Aluminio.

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