7/20/2015
1
Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal1
INTRODUCCIÓNCaracterización
Propiedades
Desempeño
Procesamiento
Estructura
Image courtesy: Newell
¿Qué son los Materiales?
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Materia
Masa Material
Image courtesy of digitalart / FreeDigitalPhotos.net
Clasificación de la Materia
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Figure courtesy : Chang y College, “Química”. 7a Edición. Ed: Mac Graw Hill (2002). P 10.
Relación entre elemento, compuestos, y otras categorías de la materia.
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2
4
Estados de la Materia
Image courtesy: http://www.artinaid.com/2013/04/el‐estado‐solido‐de‐la‐materia/
Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Perspectiva Histórica
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Edad de Piedra:Materiales:Herramientas de piedraMadera HuesosCuernasCestos Cuerdas Cuero
Edad de los Metales:
Materiales:CobreBronceHierroAceroOroCerámicaPlata
Image courtesy of digitalart / FreeDigitalPhotos.net
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ciencia de los Materiales
Conocimientos básicos de materiales
Avances:• Descubrimiento de los rayos X y su aplicación • Tabla periódica de los elementos • Conocimiento de la estructura cristalina de los materiales
• 1950 –
• Relación entre estructura y propiedades de los materiales
• Multidisciplinar
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3
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ciencia vs. Ingeniería de los Materiales
Conocimientos básicos de materiales
Conocimiento aplicado de los materiales
Ciencia de Materiales
Ingeniería de Materiales
Estudia la relación entre la estructura interna de los materiales y sus propiedades.
Estudia las propiedades y el
procesamiento de los materiales y sus
aplicaciones.
Conocimiento de estructura, propiedades, procesamiento
y comportamiento de materiales
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Por qué Estudiar Ciencia de los Materiales?
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Por qué Estudiar Ciencia de los Materiales?
Los materiales son parte esencial de todos losproductos y procesos.
La Ciencia de los Materiales provee a los ingenieros ycientíficos con el conocimiento necesario para:
• Seleccionar materiales apropiadamente.
• Diseñar materiales para aplicaciones especificas.
• Usar los materiales de manera eficiente, apropiada y segura.
• Disponer de los materiales después de su vida útil.
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Principios Fundamentales
10Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Principios Fundamentales
Los principios que gobiernan el comportamiento de losmateriales se basan en la ciencia y estos son entendibles.
Las propiedades de un material dependen de suestructura. El procesamiento del material puede alterar laestructura de un material de forma específica y predecible.
Las propiedades de todos los materiales cambian con eltiempo y con la exposición al ambiente.
Al seleccionar un material para una aplicación específica,se deben realizar pruebas apropiadas para asegurar queeste se mantendrá adecuado durante el tiempo de vida útildel producto que sea razonable.
11Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Discos de Óxido de Aluminio con diferencias en la propiedades de transmitancia de la luz debido a diferencias
en el procesamiento de los materiales.
Fuente: CALLISTER,. W. D. ”Materials Science andEngineering: An Introduction”.John Wiley & Sons, Inc. 7thEd.
Estructura y Propiedades
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Alotropía
13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Alotropía –característica de un material que es capaz de existir con más de una estructura química, dependiendo de la temperatura y presión.
Elemento: Carbono
Diamante y GrafitoImage courtesy: Wikipedia
Polimorfismo
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Polimorfismo –
Image courtesy: Wikipedia
Isotropía y Anisotropía
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Anisotropía – característica deun material de tenerpropiedades que dependende la dirección cristalográficaa lo largo de la cual se mide lapropiedad.
• Ejemplos: madera, grafito,aluminio…
Isotropía ‐ si los valores de laspropiedades son idénticos entodas las direcciones, el materiales isotrópico.
Ejemplos: acero …
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¿Cuál material es el mejor?
16Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Qué Factores Determinan la Selección de Materiales?
17Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Qué sucede si serequiere reemplazaruna tubería de cobreen una fábrica?
Lo reemplazarías por:• ¿Cobre?• ¿Acero inoxidable?• ¿PVC?• ¿Otro?
Tubería de cobre
Otros Aspectos
• ¿Cómo afecta el costo?
• ¿Qué haría con el cobre que es removido de la planta?
o Usarlo en otro parte de la fábrica?
o Venderlo como chatarra?
o Venderlo a otra fábrica?
o Reciclarlo?
o Enterrarlo en un basurero?
o Venderlo en eBay?
18Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Tubería de cobre
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Factores que Afectan la Selección de los Materiales
19Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Técnico
• Tiempo
• Económico
• Ambiental
• Social
Factor Técnico
20Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• El ingeniero debedeterminar que propiedadesson importantes para unaaplicación específica:
o ¿Costo?
o ¿Resistencia mecánica?
o ¿Resistencia a la corrosión?
o ¿Peso? …
• Además se debe tener en cuenta que los requerimientos delmaterial pueden cambiar con la necesidad del producto deevolucionar con el tiempo.
Factor Tiempo
21Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Las propiedades de los materiales cambian en eltiempo por diversas razones incluyendo:
o Corrosión
o Fatiga
o Erosión, etc
• Los científicos e ingenieros deben asegurarse de quelas propiedades del material se mantendrán enniveles aceptables durante la vida útil del producto.
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Factor Económico
22Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Los propiedades delmaterial sonimportantes para laselección de unmaterial.
• El costo es usualmenteel factor principal parala selección de losmateriales.
Valor del dinero en eltiempo – concepto de queel dinero futuro valemenos que el presentedebido al interés que sepudo haber ahorrado.
Interés – renta que se pagaal dueño del dinero por eluso del dinero.
Factor Ambiental
23Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Claves para un diseño sostenible demateriales:
• Examinar métodos de conservaciónde la energía y los recursos.
• Buscar oportunidades para reciclaro reusar materiales existentes.
• Seleccionar materiales renovablescuando sea viable.
• Considerar la disposición final delmaterial como parte del diseño delproceso.
Desarrollo Sostenible –cubrir las necesidades de lasgeneraciones presentes sincomprometer la capacidadde las generaciones futurasde cubrir sus necesidades
Image courtesy of digitalart / FreeDigitalPhotos.net
24Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Minería ilegal en Colombia, que norespeta la ecología de los lugares dondese practica, representando el 30% deltotal de explotaciones minerasnacionales.Fuente: Defensoría del Pueblo. Gobiernode Colombia (2014).http://www.eltiempo.com/justicia/ARTICULO‐WEB‐NEW_NOTA_INTERIOR‐9803951.html
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25Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ciclo de vida del producto.
Ciclo de Vida – cursoque toma un materialdespués de su formacióninicial hasta su desechofinal.
¿Conoces el ciclo de vida de los
productos que consumes?
Análisis de Ciclo Vida de Baterías
26Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
La ISO 14040 establece una normativa para LCA.
• Los productores de baterías en Colombia son las empresas:Willard, Faico y MAC S.A.
• MAC S.A. es la única empresa que cubre los procesos degeneración, recolección, acopio y reciclaje de baterías.
PROYECTO: “Ecoetiquetado de Baterías Plomo Ácido”
Premio Responsabilidad Ambiental Colombia Sostenible 2014
Responsabilidades del Ingeniero
• Entender las propiedades asociadas a diferentes clases demateriales.
• Saber por que dichas propiedades existen y como se puedenalterar para hacer el material más adecuado para una aplicaciónespecífica.
• Estar capacitado para medir propiedades importantes delmaterial y que determine como estas propiedades puedenimpactar su desempeño.
• Evaluar las consideraciones económicas que determinan el usode un material.
• Considerar los efectos ambientales y sociales a largo plazo deusar un material.
27Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
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Análisis de Casos
28Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Evolución de los Parabrisas
29Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Qué lista de propiedades crees que los diseñadores de carros hicieron para seleccionar el primer material de parabrisas?
1919 Sin Parabrisas
Franklin 1920 Parabrisas Dividido
Hoy
Un Nuevo Problema
30Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Solución: vidrio de seguridadlaminado. Delgadas películas seintercalan con laminas de vidrio.
Rotura de un vidriotemplado (izq.) vs. roturade un vidrio convencional(dcha.)
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Mejoras Modernas
31Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Vidrios Polarizados:controlan la temperatura delvehículo, sirven además paradecoración y seguridad.
Vidrio Curvo (1934): mejoralos problemas acarreados deresistencia al aire.
32Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Otras aplicaciones del vidrio laminado
Vidrios laminados en la Ciudad de la Artes y de las Ciencias - Valencia (España)
Edificio “Walkie Talkie” – Londres.
Hotel Vdara - Las Vegas (USA)
33Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Otras aplicaciones del vidrio laminado
Vidrios laminados en la Ciudad de la Artes y de las Ciencias - Valencia (España)
Edificio “Walkie Talkie” – Londres.
Hotel Vdara - Las Vegas (USA)
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34Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ejercicios1. Para cada una de las siguientes aplicaciones desarrollar una listade propiedades necesarias y decidir qué tan significativo sería el roleconómico en la selección de los materiales:
2. Un ingeniero debe decidir si usar válvulas planas de acero alcarbono o una alternativa más cara de acero inoxidable. La plantausara 1000 válvulas cada vez. Las válvulas de acero al carbonocuestan $400 cada una y durarán 2 años antes de que seanreemplazadas. Las válvulas de acero inoxidable cuestan $1000 cadauna pero durarán 6 años. Si se asume que cualquier reemplazo deválvulas ocurrirá durante el mantenimiento anual de rutina, ¿Quéfactores se deben considerar para lograr una decisión económicaapropiada?
• Alas en aeronave• Tubería en una casa• Bicicleta
• Envase para champú• Tijeras• Llantas de carros de F1
Tareas
35Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Leer el Capítulo 1 del libro guía de NEWELL.
• Solucionar la Tarea 1 del Blackboard
• Leer los documentos complementarios del
tema que están en Blackboard para la próxima
clase
• Traer una muestra pequeña de un material
para la próxima clase
Referencias
36Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• NEWELL, James. “Ciencia de Materiales: Aplicaciones enIngeniería”. 1ra ed. México: Alfaomega Grupo Editor S.A deC.V, 2011. 368 p. (ISBN: 978-607-707-114-3). Capítulo 1.
• Image courtesy of digitalart / FreeDigitalPhotos.net
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Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal Castrillón
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Clasificación de los Materiales
http://www.computerworld.es/innovacion/nanotubos‐de‐carbono‐el‐futuro‐de‐los‐transistores
Clasificación de Materiales
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Clasificación
Metales
Polímeros
Cerámicos
Compuestos
Metales
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Metales ‐ materiales queposeen átomos quecomparten electronesdeslocalizados.
¿Qué es?Esta categoría incluye las aleaciones
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Metales
4Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Propiedades de los Metales
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Brillo
• Ductilidad
• Alta dureza
• Tenacidad
• Maleabilidad
• Alta rigidez
• Alta resistencia mecánica
• Alta conductividad eléctrica y térmica
Proceso de Refinado de Metales.
La importancia de los metales y aleaciones a nivelcomercial radica en las siguientes propiedades:
Aleaciones
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Puente en Acero El puente Lupo es el más grande del mundo, y se encuentra en China.
Aleaciones – solucionessólidas de metales conotros metales o no metales.
Aleación Componentes
Acero Hierro y Carbono
Latón Cobre y Zinc
Bronce Cobre y Estaño
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Polímeros
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Polímeros – cadena de moléculasenlazadas covalentemente conunidades monómeras pequeñasrepetidas de extremo a extremo.
• Los polímeros también puedenser naturales (hule, ADN, etc).
• Muchos polímeros son ligeros,flexibles.
Átomos Comunes en Polímeros
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Tipos de Polímeros
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Termoplásticos: polímeros conun punto de fusión bajo debido ala falta de enlace covalente entrelas cadenas adyacentes. Sepueden derretir repetidamente yser reformados.
• Termoestábles: polímeros que nopueden ser derretidosrepetidamente y reformados yaque tienen un fuerte enlacecovalente entre cadenas.
Chaleco AntibalasKevlar© y Zylon©
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Cerámicos
10Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Materiales Cerámicos
Cerámicos – compuestosque tienen átomosmetálicos enlazados aátomos no metálicos comoO, C, N.
• Tienen mezclas de enlacescovalentes y iónicos.
• No se corroen.• Son buenos aislantes eléctricos yresistentes a la erosión químicafuerte enlace iónico.
Cerámicos
11Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Incluye los óxidos de metal,cementos y vidrios.
• Son resistentes pero frágiles.
• Sus propiedades varían parola mayoría son fuertes yduras.
• Como son mezclas demetales y no metales, loscerámicos incluyen átomosde toda la tabla periódica. ¿Qué son?
Materiales Compuestos
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Compuestos – materialesformados por mezclas demateriales en distintas fasescausando un nuevo material condiferentes propiedades quecualquiera de los originales.
Fibra de VidrioAl2O3/Y‐TZP particulatecomposite ceramic
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Tipos de Materiales Compuestos
13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Granuloso – contiene grannúmero de partículas gruesas.
Aggregate Concrete
http://www.concretenetwork.com/blogs/images/Is%20Lightweight%20Concrete%20Necessary%20for%20Countertops.doc.jpg
Microstructure of a fine‐grained, silicate‐bonded silicon carbide
Tipos de Materiales Compuestos
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Reforzado con fibra – un compuesto en el cual el únicomaterial forma la matriz exterior y transfiere las cargasaplicadas a las fibras más fuertes y más frágiles.
Fiber‐Reinforced Concrete
Tipos de Materiales Compuestos
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Laminares – materialconformado por capas demateriales diferentes alternadas.
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Categorías de Materiales con Propiedades Especiales
16Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Electronic materials – noted for their specialabilities in conducting electrons. They includeconductors, semiconductors, and insulators.
• Optical materials – noted for the way theyinteract with light (ex – optical glass fibers).
• Biomaterials – designed specifically for use inbiological systems (ex – artificial organs orprosthetic limbs).
Ejercicio
17Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Clasifique los materiales de suscompañeros en alguna de lascategorias descritas en la clase hoy.
18Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Bibliografía
1. NEWELL, James. “Ciencia de Materiales: Aplicacionesen Ingeniería”. 1ra ed. México: Alfaomega GrupoEditor S.A de C.V, 2011. 368 p. (ISBN: 978‐607‐707‐114‐3). Capítulo 1.
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Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal1
ESTRUCTURA Y ENLACE ATÓMICOS
Relación Estructura Atómica y Propiedades de los Materiales
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Caracterización
Propiedades
Desempeño
Procesamiento
Estructura Átomos
OrientaciónEnlaces
Niveles de Estructura de Materiales
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Macroestructura
Microestructura
Estructura Cristalina
Estructura
Atómica
• Macroestructura – Cómo lasmicroestructuras se acoplan unas conotras para conformar el material?
• Microestructura – Qué secuencia decristales existen en un nivel tanpequeño que no pueden verse asimple vista?
• Arreglo atómico– Cómo están losátomos posicionados respecto a losotros átomos y qué enlaces hay entreellos?
• Estructura atómica – Cuáles átomosestán presentes y qué propiedadestienen estos?
Las propiedades de un material están determinadas por los efectos combinados de los cuatro niveles completos
Escala Aumenta
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¿Qué es un átomo?
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Átomo – unidadestructural básicade todos losmateriales.
Partícula Subatómica Masa (g) Carga eléctrica (C)
Protón 1.673 x 10‐24 + 1.602 x 10‐19
Neutrón 1.675 x 10‐24 0
Electrón 9.109 x 10‐28 ‐ 1.602 x 10‐19
!Las partículas másexternas determinanlas propiedades:eléctricas, mecánicas,químicas y térmicas!
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Elemento – tipo de materia constituida por átomos de la misma clase
Tabla Periódica –esquema clasificatorio para todos los elementos que resume todo el ámbito de la química.
1860s ‐ Desarrollo de la Tabla Periódica (gran avance científico)
Figura: The Royal Society of Chemistry's interactive periodic table http://www.rsc.org/periodic‐table
¿Qué es un Elemento?
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Masa Atómica
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
NA= 6,022x1023 átomos /mol
Número de Avogadro
Masa Atómica – número deátomos o moléculas en unamol. Cantidad de átomos iguala NA. [g/mol]
Mol – es la unidad con quese mide la cantidad desustancia, una de lassiete magnitudes físicasfundamentales del SI.
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Masa Atómica y Peso Molecular
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Calcular el número de átomos en 100 g de: Ag y NaCl.
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Radio Atómico
10Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Aumento del Radio Atómico de los elementos en la tabla periódica
Radio Atómico – la mitad de la distancia entredos núcleos de dos átomos adyacentes.
Electronegatividad
11Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Aumento de la electronegatividad de los elementos en la tabla periódica.
Electronegatividad – habilidad de unátomo de atraer electrones a sí mismo.
Interacción entre los Átomos
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Los electrones del último nivelde energía son losresponsables de lasinteracciones entre átomos.
Reactividad – Hay elementos queseden o atraen e‐ de valencia y lafuerza con que un elemento atraeo sede esos electrones devalencia se llama reactividad y esel principio del enlace atómico.
Las partículas más externasdeterminan las propiedades:eléctricas, mecánicas, químicas ytérmicas.
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13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Enlace Químico – fuerzas intramoleculares deatracción entre átomos, que dan estabilidad a locompuestos químicos.
ENLACESPRIMARIOS
METÁLICO
COVALENTE
IÓNICO
Fortaleza del enlace: covalente > iónico > metálico
Enlace Iónico
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Enlace Iónico – donación de unelectrón de valencia a partir deun material electropositivo a unmaterial electronegativoadyacente.
Enlace iónico en el Cloruro de Sodio (NaCl)
Ión – partícula cargadaeléctricamente constituida porun átomo o molécula que no eseléctricamente neutra.
Enlace Covalente
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Enlace Covalente – se producecuando los átomos compartenelectrones del último nivelpara tener 8 electrones devalencia.
• Los electrones en enlacescovalentes, pueden estar ubicadosen cualquier punto de los dosnúcleos, pero es más comúnencontrarlos entre ellos.
• Los enlaces covalentes se suelenproducir en elementos en estadogaseoso o no metales.
• Son enlaces fuertes.
• Efecto en propiedades de losmateriales: pobre ductilidad ymala conductividad eléctrica ytérmica.Enlace covalente en el H2
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Enlace Metálico
16Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Los electrones de valencia secomportan como una mareadeslocalizada de electrones.
• Enlace fuerte que aumenta elpunto de fusión.
• Estructuras compactas: por quelos átomos se agrupan de formacercana.
• Este comportamiento es lo quegenera: alta conductividadeléctrica y térmica,maleabilidad,ductilidad y brillo, en losmetales.
Enlace Metálico – fuerzas deatracción entre metales.
Representación esquemática de la nube deelectrones deslocalizada en el enlace metálico.
Enlaces Secundarios
17Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Estas interacciones son breves y débiles,pero incrementan con el peso molecularde las moléculas (como los polímeros).
• Fuerzas intermoleculares
• Cambian propiedades como el punto deebullición y de fusión.
Fuerzas de dispersión entre moléculas de H2
adyacentes
Fuerzas Van der Waals – fuerzas deinteracción electrostática débil entremoléculas o grupos de átomos.
Fuerzas de Van Der Waals
18Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Evaporación de agua
Tubería PVC
Moléculas de Agua Moléculas de Polímeros
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Tipos Enlaces en los Materiales
19Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Compuestos cerámicos ysemiconductores, tienenmezclas de enlacescovalentes y iónicos.
Tareas
20Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Leer capítulo 1 del libro guía.
• Estudiar el material complementario queestá en Blackboard.
Ejercicios
• Leer el documento: “Elements in the history of theperiodic table”. Responder las siguientes preguntas:
• ¿Qué es la tabla periódica?
• ¿Qué información tiene?
• ¿Qué función tiene la tabla periódica?
• ¿Cuál es la estructura de la tabla periódica?
• ¿Cómo están organizados los elementos en la tablaperiódica?
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Referencias
22Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• NEWELL, James. “Ciencia de Materiales: Aplicaciones enIngeniería”. 1ra ed. México: Alfaomega Grupo Editor S.A de C.V,2011. 368 p. (ISBN: 978‐607‐707‐114‐3).
• ASKELAND, D. “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. 4ta ed.España: Ediciones Paraninfo, S.A., 2001. 824 p. (ISBN:788497320160)
• CHANG, Raymond y COLLEGE, Williams. “Química”. 7a ed.Editorial Mac Graw Hill, 2002. p.
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Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal1
ESTRUCTURA CRISTALINA
¿Porqué Estudiar la Estructura?
2
Relación entre Estructura – Propiedades – Procesamiento
Los materiales se escogen basados en sus propiedades
La estructura determina las propiedades
La estructura se puede alterar por el procesamiento
Niveles de Estructura de Materiales
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Macroestructura
Microestructura
Estructura Cristalina
Estructura
Atómica
• Macroestructura – Cómo lasmicroestructuras se acoplan unas conotras para conformar el material?
• Microestructura – Qué secuencia decristales existen en un nivel tanpequeño que no pueden verse asimple vista?
• Arreglo atómico– Cómo están losátomos posicionados respecto a losotros átomos y qué enlaces hay entreellos?
• Estructura atómica – Cuáles átomosestán presentes y qué propiedadestienen estos?
Las propiedades de un material están determinadas por los efectos combinados de los cuatro niveles completos
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2
Niveles de Orden de la Materia
4Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Las moléculas de gases monoatómicos no tienen orden, y por eso no son muy relevantes en el estudio de los materiales.
Orden de las moléculas en sólidos, líquidos y gases
Niveles de Orden en Materiales
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Niveles de Orden en Materiales
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Amorfo: materiales que tienen bajorango de ordenamiento y solo tienen laposición de las moléculas vecinas máscercanas de forma regular.
Cristalinos: materiales que tienenorden tridimensional de largo rangosignificativo y forman una red cristalinaregular.
Ej: polímeros, el vidrio, carbón activado.
Ej:metales, aleaciones son cristalinos
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Vidrio vs. Cuarzo
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Estructura del vidrio (SiO2) en sólido amorfo
Estructura del cuarzo (SiO2) en red cristalina
Estructura Cristalina
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Estructura Cristalina:tamaño, forma yordenamiento de losátomos en redes cristalinastridimensionales.
Estructura Cristalina
Celdas Unitarias
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Celdas Unitarias ‐ subdivisión máspequeña de un red cristalina quemantienen las propiedades de la redcristalina.
Red Cristalina ‐ es una serie deceldas unitarias conectadas entre sí.
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Celdas Cristalinas de Bravais
10Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Redes Cristalinas deBravais – estructurasdistintas de cristal en lascuales los átomos searreglan entre sí en losmateriales.
August Bravais (1811‐1863):cristalógrafo francés quienestableció las 14 celdasunitarias que describen todaslas redes posibles.
11
Parámetros de Redes Cristalinas
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Longitudes axiales: a, b, c
• Ángulos axiales:
Parámetros de RedesCristalinas – la longitud de laorilla y los ángulos de unacelda unitaria.
z
x
y
a
b
c
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Cúbica Sencilla
13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Parámetros de red:
Longitudes de aristas: a = b = c
Ángulos:
• Ningún átomo ocupa espaciosintersticial (espacio entre uncuerpo o entre dos o más).
• Si todos los átomos son iguales:
Cúbica Sencilla
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
a0
a0 2r
¿Cuáles son las suposiciones de este a0?
a0: parámetro de red cristalinaen celdas con átomos idénticos.r: radio atómico.
r1 = r2 = r
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC)
a04
3
Parámetros de red:
Longitud de aristas: a = b = c = a0
Ángulos:
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Ej: Cu, Ag
16Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Cúbica Centrada en las Caras (FCC)
a04
2
Parámetros de red:
Longitud de aristas: a = b = c = a0
Ángulos:
• El sistema HCP es más complejoy requiere de dos parámetro dered cristalina (a0 y c0)
17Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Paquete Cerrado Hexagonal (HCP)
a0 2 r c0 3.266 rc0
a0
18Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Fuente: http://www.atpm.com/8.08/periodic‐table.shtml
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19Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ejercicio: Calcular los parámetros dered cristalina para el plomo (Pb) a 20°C. Galena (PbS)
Número de Coordinación ‐ número de anionesque cada catión contacta y esta controlado por elradio atómico y la geometría.
20Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
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21Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Celda Unitaria
n Descripción
CúbicaSencilla
18 esquinas cada una contribuye a
1/8 de átomo
BCC 28 esquinas cada una contribuye con 1/8 de átomo, más un átomo en el centro de la celda unitaria
FCC 4
8 esquinas cada una contribuye con 1/8 de átomo, más 6 caras cada una contribuye con 1/2
átomo
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8
22Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Celdas Unitarias
23Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
24Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Factor de Empaquetamiento Atómico (APF) – cantidad deceldas unitarias ocupadas por átomos en oposición alespacio vacío.
Á
Tipo de Celda APF
CS 0,52
BCC 0,68
FCC 0,74
HCP 0,74
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9
25Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Imagen: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic‐scale‐structure/single2.php
Posiciones Atómicas
26Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
1. Ubicar el eje coordenadoen un átomo.
2. Considerar la celdaunitaria.
3. Determinar coordenadascartesianas x, y, z delcentro de cada átomo.
4. Escribir posiciones entreparéntesis y separadospor comas, usarfraccionarios.
1/2
[0 0 1]‐
Índices de Dirección
27Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
1. Ubicar el eje coordenado en unátomo.
2. Determinar las posicionesatómicas del punto final e inicialdel vector dirección.
3. Restar las posiciones atómicas(Final – Inicial).
4. Eliminar los fraccionesmultiplicando las coordenadas alentero más cercano, pero no reducirlos resultados.
5. Los números enteros se escribencon una línea arriba para númerosnegativos y entre corchetes.
[1 2 0]
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10
[1 1 0]‐
[1 1 0]‐
28Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Todos los vectores de dirección paralelos tienen igual índice de
dirección.
Las direcciones con signos opuestos son desiguales.
Una dirección y sus múltiplos son iguales si los signos son iguales:
[1 2 3] = [2 4 6] = [3 6 9]
29Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ejercicios:
• Determinar los índicespara las direcciones A,B, C que se muestran enla figura.
• Dibuje los siguientesíndices de dirección:
[1 0 0] y [3 2 1]
Índices de Miller
30Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
1. Determinar interceptos delplano con los ejes x, y, z.
2. Tomar el recíproco de estostres números.
3. Eliminar los fraccionesmultiplicando las coordenadasal entero más cercano.
4. Los números enteros seescriben con una línea arribapara números negativos yentre paréntesis.
Nota 1: si el plano no intercepta un eje, se toma elintercepto en ese eje como infinito.Nota 2: si el plano intercepta algún eje en 0,seleccionar un nuevo origen.
(2 1 1)
Draw you own lattice: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/miller_indices/lattice_draw.php
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11
12
3
dd
(0 1 0)
31Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Planos paralelos equidistantes tienen igual índice de Miller
Espacio Interplanar (d) – ladistancia entre planosrepetidos en una red cristalina.
32Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Los índices de Miller y sus múltiplos NO son iguales: (2 2 2) ≠ (1 1 1)
(2 2 2)(1 1 1)
Los índices de Miller y sus negativos son idénticos: (1 0 0) = (1 0 0)‐
(1 0 0)(1 0 0)‐
33Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
z
x
y3
2
Ejemplos:Dibuje los planos de los siguientes índices de Miller:
(1 0 0), (3 2 1), (1 0 0)
Determinar los índices de Miller para los planos que semuestran en la figura.
‐
(0 1 0) (0 0 1)
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34Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ejercicio: dibujar el plano (110) en una celda unidad BCC,situando los átomos. Enumere las coordenadas de la posición delos centros de los átomos cuyos centros están intersectados poreste plano.
(0,0,0)
Tarea
• Leer Capítulo 2 del libro guía de Newell.
• Traer para la siguiente clase losmateriales para construir las celdascristalinas cúbicas.
35
Estructura Cristalina y Propiedades
36Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Densidad• Módulo de elasticidad
• Dilatación térmica
• Punto de fusión
• Conductividad térmica
• Calor específico• Resistividad eléctrica
• Propiedades magnéticas
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13
Estimación de Densidad
37Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
La densidad teórica asume una red cristalina perfecta y se puede calcular así:
Donde: = densidadn = número de átomos por celda unitaria
A = peso molecular del material
NA = número de Avogadro (6,022 x 1023 átomos/mol)
Vc = volumen de la celda unitaria
ρ
¿Cómo calcular Vc?
Ejercicio
38Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Determinar la densidadteórica del cromo a 20°C eng/cm3:
ρ·
Cromo Puro
Material Lattice Type Atomic Radius (nm) A (g/mol)
Chromium BCC 0,1250 51,9961
Respuesta
39Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Densidad del cromo a 20°C:
ρ ó 7,1785 / 3
Cromo Puro
ρ 7,1400 / 3
¿Por qué la densidad teórica difiere de la experimental?
7/20/2015
14
40Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Por qué la densidad teórica difiere de la experimental?
Estructura Cristalina de Mosaico
41Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Frontera de grano – áreas deun material que separan lasdistintas regiones cristalitas.
Cristalitas – regiones de unmaterial en la que losátomos están acomodadosen un patrón regular.
42Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Defectos
Vacantes
Susticionales
Intersticiales
Dislocaciones
Borde
Tornillo
Mixtas
Defecto Cristalino - cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino.
7/20/2015
15
43Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Vacantes – ausencia de un átomoen un sitio particular de la redcristalina.
Sustitucionales – un átomo en lared cristalina es reemplazado conuno diferente.
Intersticiales – un átomo ocupa unespacio que normalmente seencuentra vacío en la redcristalina.
Defectos Puntuales – defectos en laestructura de un material quesucede en un solo sitio en la redcristalina.
44Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Dislocaciones – defectos de redes cristalinas de granescala que resultan de las alteraciones a la estructura dela red cristalina.
Explican las propiedades mecánicas como elasticidad y maleabilidad de los metales, puesto que la deformación plástica
puede ocurrir por desplazamiento de dislocaciones.
45Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Dislocaciones de Borde – causadas por la adición de unplano parcial dentro de una estructura de red cristalinaexistente.
Línea de Dislocación
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16
46Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Dislocaciones de Tornillo – sucede cuando la redcristalina es cortada y cambiada por una fila de espacioatómico.
Técnicas de Caracterización
47Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Difracción de Rayos X
48Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• La técnica de Rayos‐X de polvose usa para identificar fasescristalinas y parámetros de lared cristalina en materiales.
Limitaciones:
• El material tiene que sercristalino para que difracte losRayos‐X (no es aplicable adisoluciones, a sistemasbiológicos in vivo, a sistemasamorfos o a gases).
• Las fases deben estar enconcentraciones superiores al1% en los materiales.
Difractómetro de Rayos X de Polvo (PXRD)
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Difracción de Rayos X
49Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• La fuente de Rayos‐Xchoca contra la muestramientras el detectorrecoge la señal quecorresponde a la radiacióndifractada.
• La fuente y el detectorrotan hasta en un ampliorango de ángulos deincidencia que sonmedidos.
Esquema de operación de un equipo de Rayos X de Polvo (PXRD)
Rayos X – tipo de radiaciónelectromagnética con longitudesde onda entre 10 y 10‐2 nm.
Difractograma de Rayos X
50Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Cada pico corresponde aun plano específico quegenera una señal en eldetector.
• Analizar los picosprovee muchainformación acerca delos planos y la estructurade la red cristalina.
XRD ideal
XRD experimental
Difractograma de Rayos X
51Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Rayos‐X de Hidrotalcitas CuZnAl
2(degrees)10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
25°C
120°C
180°C
260°C
350°C
450°C
Ref: A. Aristizabal et al. Catalysis Today, Volume 175, Issue 1, 25 October (2011), Pag. 370‐379.
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18
Microscopía
52Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
ÓPTICA ELECTRÓNICA
Técnica de bajo costo que usa luz visible reflejada. Magnificación: 2000XSolo para ver superficie de materiales opacos
Técnica de alta resolución queutiliza un haz de electronespara visualizar objetos.Muy costosaMagnificiación: 1.000.000X
Sirven para determinar tamaño de partícula y morfología en materiales, a escalas más pequeñas que las que detecta el ojo
humano
Microscopia Metalografía
53Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Imágenes de alta resolución Imagen en 3D y blanco y negroResolución: 0,4 nmRequiera que las muestras sean conductorasMuy costoso
Microscópio Electrónico de Barrido(SEM) – microscopio que utilizaun haz de electrones paravisualizar un objeto. Analiza loselectrones retro dispersados.
Microscopia Electrónica ‐ SEM
54Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Esquema de Microscopio SEM
Imágenes de alta resolución Imagen en 3D y blanco y negroResolución: 0,4 nmRequiera que las muestras sean conductorasMuy costoso
Microscópio Electrónico de Barrido(SEM) – microscopio que utilizaun haz de electrones paravisualizar un objeto. Analiza loselectrones retro dispersados.
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Microscopia Electrónica ‐ TEM
55Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Esquema de un Microscopio TEM
Microscópio Electrónico deTransmisión (TEM) – microscopio queutiliza un haz de electrones paravisualizar un objeto. La imagen seobtenga de los electrones queatraviesan la muestra.
Imágenes de alta resolución Imagen en 2D y blanco y negroResolución: 0,1 nmIdeal para examinar defectosMuy costosoLa muestra debe ser ultrafina
Microscopia Electrónica
56Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Microscopio SEM Microscopio TEM
Microscopia Electrónica
57Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Imagen SEM de Polén Imagen TEM de CloroplastoImages courtesy: Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College. En: http://remf.dartmouth.edu/pollen2/pollen_images_3/index.html
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Microscopia Óptica
58Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Imágenes tomadas con microscopia: Ag soportada en Al2O3
Ref: A. Aristizabal
Microscopia Electrónica SEM
59Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Micrografías de SEM: Ag soportada en Al2O3
Ref: A. Aristizabal
Microscopia Electrónica TEM
60Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Micrografías TEM: Óxidos de Cu y Zn
Ref: A. Aristizabal et al. Catalysis Today, Volume 175, Issue 1, 25 October (2011), Pag. 370‐379.
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21
Microscopia Electrónica TEM
61Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ref:
62Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ref:
Referencias
63Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• NEWELL, James. “Ciencia de Materiales: Aplicaciones en Ingeniería”. 1ra ed.México: Alfaomega Grupo Editor S.A de C.V, 2011. 368 p. (ISBN: 978‐607‐707‐114‐3).
• SMITH, William F. “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”.3ra ed. España: McGraw Hill, 2004. 718 p. (ISBN: 84‐481‐1429‐9)
• ASKELAND, D. “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. 4ta ed. España:Ediciones Paraninfo, S.A., 2001. 824 p. (ISBN: 788497320160)
• DoITPoMS TLP ‐ Lattice Planes and Miller Indices ‐ How to Index a LatticePlane." Dissemination of IT for the Promotion of Materials Science(DoITPoMS). Web. 17 Nov. 2010._<http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/miller_indices/lattice_index.php>.
7/20/2015
22
Ejemplo
64Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Determinar los índices para las direcciones A, B, C quese muestran en la figura:
Ejemplo
65Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Determinar los índices para las direcciones A, B, C quese muestran en la figura:
Respuesta:
A. [0 1 0]
B. [1 1 1]
C. [1 2 2]
‐
‐
Ejemplo
66Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Determinar los índices paralas direcciones A, B, C que semuestran en la figura:
7/20/2015
23
Ejemplo 2
67Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Determinar los índices de Miller para los planos quese muestran en la figura:
Ejemplo 2
68Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Determinar los índices de Miller para los planos quese muestran en la figura:
Respuesta:
(2 1 1)
Respuesta:
(0 1 1)
Ejemplo
69Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
7/20/2015
24
• Determinar los índices de Miller para los planos quese muestran en la figura:
Ejemplo 3
70Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
z
x
y3
2
Ejemplo
71Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ejercicio
72Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Dibujar los plano (1 1 0) en una celda unidadBCC, situando los átomos. Enumere lascoordenadas de la posición de los átomoscuyos centros están intersectados por esteplano.
7/20/2015
25
73Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ejercicio
Calcular los parámetros de red cristalina para el átomode plomo (Pb).
Ejercicio
74Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Densidad real 7140 kg/m3
20/07/2015
1
Departamento de Ingeniería IndustrialPontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal Castrillón1
Difusión y Tratamientos Térmicos
Difusión
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Difusión: movimiento delos átomos en unmaterial. Es un fenómenode transferencia de masa.
Los átomos se mueven paraeliminar diferencias deconcentración y paraproducir una compositionhomogénea y uniforme.
Estabilidad de los Átomos
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Autodifusión: movimiento de losátomos en materiales puros.
Interdifusión: difusión de átomosdiferentes en direcciones diferentes.
Figura: http://www.tf.uni‐kiel.de/matwis/matv/forschung.php?thema=mpi
Imagen: cross‐sectional TEM image of 10 nm Audeposited on TMC‐PC at 290°C.Metal atoms can be seen diffusing into the polymer.The metal atoms also have a strong tendency toaggregate.
20/07/2015
2
Mecanismos de Difusión en Sólidos
4Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Difusión por Vacancias
Difusión Intersticial
Mecanismos de Difusión
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Difusión por Vacantes: un átomo abandona su sitioen la red para llenar una vacancia cercana, creandouna nueva vacancia.
Mecanismos de Difusión
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Difusión Intersticial: un átomova de un sitio intersticial en lared a otro cercano vacío, sindesplazar permanentementeátomos de la red cristalina.
• Este mecanismo es rápido.• Los átomos difundidos debe serrelativamente pequeños.
20/07/2015
3
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Variable Efecto en la velocidad de difusión
Tipo de mecanismo de difusión
El mecanismo intersticial es más rápido que el devacante.
TemperaturaAl aumentar la temperatura aumenta la difusiónpor que aumenta la energía del sistema.
EstructuraCristalina
La difusión es más rápida en estructurascristalinas menos compactas.
Defectos Cristalinos
Por que pueden favorecer los mecanismos dedifusión.
ConcentraciónMayores diferencias de concentración aumentanla difusión. Es complejo en estado sólido.
Fuerza del enlace atómico
Entre más fuerte el enlace menor es la velocidadde difusión. A mayor temperatura de fusiónmenor difusión.
Difusión y Tratamientos Térmicos
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Aplicaciones Industriales
Tratamientos superficiales que
no alteran la composición del
material base
Térmicos:TempleRevenidoRecocidoNormalizado
Tratamientos superficiales que alteran la
composición del material base
Térmoquímicos:NitruraciónCarburaciónCementación
Tratamientos Térmicos
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Tratamientos Térmicos:operaciones de calentamientoy enfriamiento de metales oaleaciones, a temperaturas yvelocidades variables, paracambiar sus propiedades.
• Eliminan las tensiones internas.• Cambian la estructura del
material sin cambiar composición.• Cambian propiedades mecánicas.
20/07/2015
4
Templado
10Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Aumentar la dureza y la resistencia del acero• Rapidez de enfriamiento es determinante
Recocido
11Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Recocido: tratamiento térmico de un materialexpuesto a elevada temperatura durante unperiodo de tiempo y luego enfriado lentamente.
• Incrementa plasticidad, ductilidad ytenacidad.
• Produce microestructura especifica.
• Ablanda los aceros
Tratamientos Térmoquímicos
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Tratamientos Termoquímicos: operaciones decalentamiento y enfriamiento de metales oaleaciones, a temperaturas y velocidades variablesen presencia de otro compuesto, para cambiar suspropiedades y composición.
• Cambian las propiedades mecánicas.
20/07/2015
5
Carburación
13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Carburación: proceso deendurecimiento de superficiesde acero por difusión decarbono a su superficie enatmosfera carburante y altatemperatura.
• Aumenta la durezasuperficial de aceros.
• Los componentes sesitúan en un horno encontacto con gases ohidrocarburos a 1700°C.
• Se usa gas carburante ytemperatura adiferentes tiempo.
Nitruración
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Nitruración: conversión dela superficie de hierro y deelementos aleantes deacero en nitruro, en unaatmósfera rica en N y a altatemperatura.
Mejora propiedades superficiales:la dureza, y las resistencias a lafatiga y a la corrosión.
http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10165
Acero Inoxidable Martensítico Nitrurado
Referencias
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
1. ASKELAND, Donald. R. “Ciencia e Ingeniería de los
Materiales”. 3ª Ed., Ediciones Paraninfo S.A., 1999.
ISBN 9789687529363.
2. SMITH, William F. “Fundamentos de la Ciencia e
Ingeniería de Materiales”. 3ra ed. España: McGraw Hill,
2004. 718 p. (ISBN: 84‐481‐1429‐9)
20/07/2015
1
Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal
1
Propiedades de los Materiales
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Macroestructura
Microestructura
Estructura Cristalina
Estructura
Atómica
Las propiedades de un material están determinadas por los efectos combinados de los
4 niveles de la estructura de los materiales
Aumento de la escala
Propiedades ‐ conjunto de características quehacen que un material se comporte de unamanera determinada.
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
20/07/2015
2
Tipos de Propiedades
4Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Físicas
Mecánicas
Eléctricas
Térmicas Resistencia al calorCapacidad TérmicaExpansión Térmica
Conductividad TérmicaResistencia al choque térmico
Conductividad Eléctrica
Esfuerzo‐Deformación Dilatación DuctibilidadElasticidad
FluenciaPlasticidad TenacidadDureza
Resiliencia Fragilidad MaleabilidadFatiga
ColorDensidadCalor específico
Masa y Peso
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Masa ‐ cantidad demateria que tienenun cuerpo .
Peso – fuerza queejerce la gravedadsobre un cuerpo .
Volumen
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Volumen ‐ espacio queocupa un cuerpo.
20/07/2015
3
Densidad
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de masa.
Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
8
Conductividad Térmica (k)
Material k (W/(K m))
Acero 47‐58
Estaño 64
Zinc 106‐140
Conductividad Térmica ‐propiedad física de cualquiermaterial que mide la capacidadde conducción del calor a travésdel mismo.
Aislante TérmicoRef:
http://propiedadesdelossolidosepe.blogspot.com/2010/10/conductividad‐termica_13.html
Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
9
Conductividad Eléctrica (e)
Conductividad Eléctrica ‐ medidade la capacidad deun material para dejar pasar (odejar circular) librementela corriente eléctrica.
20/07/2015
4
Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal10
Propiedades Mecánicas
Propiedades Mecánicas ‐ aquellas propiedadesde los sólidos que se manifiestan cuandoaplicamos una fuerza.
11Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Propiedades Mecánicas
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Propiedad Definición
Elasticidad
Capacidad de un material de recobrar su forma primitiva cuandocesa la causa que lo deformó. Hasta una cierta tensión si se quitala carga aplicada la muestra volverá exactamente a su longitudoriginal.
Resiliencia
Capacidad de un material de absorber energía en la zona elásticaal someterlo a un esfuerzo de rotura. Cantidad de energía quepuede absorber una unidad de volumen de material, dentro delrango elástico.
RigidezCapacidad de un material para soportar esfuerzos sin adquirirgrandes deformaciones y/o desplazamientos.
Plasticidad
Capacidad de algunos materiales sólidos de adquirirdeformaciones permanentes sin llegar a romperse. Alargamientoque tiene lugar después del límite elástico es de naturalezaplástica y se llama deformación permanente.
20/07/2015
5
Propiedades Mecánicas
13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Propiedad Definición
DurezaResistencia a la penetración o a esfuerzo puntuales.Posibilidad que tiene un material de resistir ser rayado.
DuctilidadPosibilidad de un material de alargarse plásticamente sinromperse. Deformación forzada en hilos (tracción‐tensión).
FragilidadFalta de ductilidad. Los materiales frágiles no tienen zonaplástica.
MaleabilidadCapacidad que tiene un material de ser deformado por laacción de martillo (compresión), sin provocar rotura. Unmaterial maleable se puede extender en láminas o planchas.
TenacidadCapacidad de un material de absorber energía antes del puntode ruptura bajo condiciones de impacto o de esfuerzos detensión.
Propiedades Mecánicas
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Propiedad Definición
Resistencia a la conformación
Tensión (esfuerzo) en el punto de transición entre lasdeformaciones elásticas y plásticas. (límite de deformaciónelástica)
Resistencia a la tracción
Esfuerzo de tensión aplicado a la fuerza más alta en unacurva de esfuerzo vs. deformación.
Resistencia a la ruptura
Tensión en la cual un material se rompe completamentedurante el ensayo de tracción.
Fluencia
Deformación plástica de un material bajo tensión atemperatura elevada.Deformación dependiente del tiempo de un materialcuando está sujeto a una carga constante o tensión.
Propiedades Mecánicas
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Propiedad Definición
Elasticidad
Flexibilidad
20/07/2015
6
Ensayos de Materiales ‐ toda prueba cuyo fines determinar las propiedades de un material.
16Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Verificar cumplimiento deestándares establecido enlos materiales para unaaplicación.
Simular las condiciones a lasque va a estar expuesto unmaterial cuando entre enfuncionamiento o enservicio.
¿Para que sirven?
Ensayos de M
ateriales
Ensayos de M
ateriales
RigurosidadRigurosidad
CientíficosCientíficosSe realizan para investigar características técnicas de
nuevos materiales.Se realizan para investigar características técnicas de
nuevos materiales.
TécnicosTécnicosSirven para comprobar si las propiedades de un material son adecuadas para una aplicación.
Sirven para comprobar si las propiedades de un material son adecuadas para una aplicación.
EfectoEfecto
DestructivosDestructivosLa parte de material que es sometida a ensayo se
destruye y, normalmente, se desecha.La parte de material que es sometida a ensayo se
destruye y, normalmente, se desecha.
No DestructivosNo DestructivosPrueba practicada a un material que no altere de
forma permanente sus propiedades.Prueba practicada a un material que no altere de
forma permanente sus propiedades.
NaturalezaNaturaleza
QuímicosQuímicosDetermina la composición química del material, y su
comportamiento ante agentes químicos.Determina la composición química del material, y su
comportamiento ante agentes químicos.
FísicosFísicos Determinan las propiedades físicas. Determinan las propiedades físicas.
MetalográficosMetalográficosAnaliza la estructura del material mediante
microscopía.Analiza la estructura del material mediante
microscopía.
MecánicosMecánicosDetermina la resistencia del material cuando se
somete a diferentes esfuerzos.Determina la resistencia del material cuando se
somete a diferentes esfuerzos.
17Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ensayos Mecánicos ‐ pruebas que determinan laresistencia del material cuando se somete adiferentes esfuerzos.
18Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Determinar propiedades mecánicas.
¿Para que sirven?
¿En que consisten?
Aplicar un esfuerzo () Velocidad de aplicación de la fuerza Determinar el tipo de deformación que sufre el material con ese esfuerzo
20/07/2015
7
Tipos de Esfuerzos Mecánicos
Tracción o Tensión Compresión Flexión TorsiónCorte
Ilustraciones: http://clasestecnologia.wikispaces.com/3.+Esfuerzos+mecánicos
19Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Donde:: esfuerzo mecánicoF: fuerzaA: área perpendicular a la fuerza
Ensayos Mecánicos ‐ pruebas determina laresistencia del material cuando se somete adiferentes esfuerzos.
20Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ensayo de Tensión o Tracción Ensayo de Compresión Ensayos de Flexión o Plegado Ensayos de Dureza Ensayo de Impacto Charpy Ensayo de Fluencia Ensayo de Fatiga Ensayo de envejecimiento acelerado
¿Cuáles ensayos estudiaremos?
Ensayo de Tracción o Tensión
Un ensayo de Tracción o Tensión describe la resistencia de un material a un esfuerzo de tensión aplicado lentamente.
21Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿En que consisten?
Aplicar un esfuerzo ()
Velocidad de aplicación de la fuerza
Determinar el tipo de deformación
que sufre el material con ese esfuerzo
¿Qué se mide?
?
20/07/2015
8
Ensayo de Tracción o Tensión
22Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• La muestra se asegura en un parde abrazaderas.
• La abrazadera superior estasujeta a una barra fija y una celdade carga.
• La abrazadera inferior está sujetaa una barra móvil que lentamentemueve la muestra hacia abajo.
• La celda de carga registra lafuerza y el extensómetros registrael alargamiento de la muestra.
Equipo para Ensayo de Tracción(Tensile Test)
Ensayo de Tracción o Tensión
ProbetasEspécimenMuestra
23Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Máquina de Tracción
Norma Descripción General
NTC 2 1995‐11‐29Ensayo de tracción para materiales metálicos a
temperatura ambiente.
UNE‐EN 10002‐2:2002 Ensayo de tensión para materiales metálicos. Parte 1. método de ensayo a temperatura
ambiente.
UNE‐EN ISO 527‐1:1996Plásticos determinación de las propiedades de tracción. Determinación de las propiedades de
esfuerzo‐deformación en tracción.
ASTM A370 Ensayo de tracción para productos de acero.
Esfuerzo y Deformación Ingenieril
24Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
l0 : longitud inicial entre marcas.
l : longitud entre marcas al aplicar un esfuerzo.
Esfuerzo Ingenieril () –proporción de la cargaaplicada a un área de lasección transversal.
Deformación Ingenieril () –cambio en las dimensiones dela probeta al aplicar unesfuerzo.
= F/A0
F: fuerza.A0: área inicial de la probeta
= (l – l0)/l0
20/07/2015
9
Curva Esfuerzo vs Deformación Ingenieril
25Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ensayo de Tensión
Límite Elástico (y) Resistencia a la Tracción (S) Resistencia a la Ruptura (B) Módulo de Elasticidad (E) Coeficiente de Poisson () Módulo de Resiliencia (Er) Tenacidad a la Tensión Porcentaje de Elongación (%A) Porcentaje de Estricción (%Z)
¿Cuáles propiedades se calculan de este ensayo?
Curva Esfuerzo‐Deformación
26Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Zona Elástica: es la regiónbajo el límite de deformaciónelástica (y), donde elmaterial no sufre cambiospermanentes y recupera suforma inicial al eliminar lacarga.
• Zona Plástica: Por encima yel material sufre cambiospermanentes, y recupera sóloparcialmente su forma aleliminar la carga.
Curva representativa de Esfuerzo‐Deformación del Ensayo de Tensión
27Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Límite Elástico (y): tensión en el punto detransición de la zona elástica.
y
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10
28Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Resistencia a la Tracción (S): máxima tensiónen el diagrama esfuerzo‐deformación.
S• La resistencia a la tensión enmetales puros es de 1‐10MPa,mientras que para lasaleaciones es mayor.
• Los plásticos tienen unaresistencia a la tracciónmenor que los metales.
29Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Resistencia a la Ruptura (B): tensión en la cual el materialse rompe completamente durante el ensayo de tracción.
S
B
y
¿Por qué S > B?
30Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Módulo de Elasticidad (E): es la pendiente de la curvaesfuerzo‐deformación en la zona elástica en el ensayo detensión.
E =
Curva Esfuerzo‐Deformación Grafito (E = 1080 GPa)
• También se llama módulo deYoung.
• Es proporcional a la rigidez de unmaterial.
• Está relacionado con la energía deenlace de los átomos.
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31Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Qué material es más rígido?
Curva Esfuerzo‐Deformación de aluminio y acero.
• Los plásticos tiene valoresde E más bajos que losmetales, aleaciones ycerámicos.
• Los cerámicos y metalestiene valores de E hasta410 GPa.
• Los cerámicos tienen losmás altos valores de Edebido a la fortaleza desus enlaces iónicos ycovalentes.
32Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Coeficiente de Poisson (): relaciona la deformaciónlongitudinal elástica (estiramiento) con la deformaciónlateral de un material bajo tensión.
• La mayoría de los metales en la zona elásticatienen un coeficiente de Poisson típico de 0.3.
33Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Curva Esfuerzo‐Deformación en ensayo de tensión Alto Er ¿Por que?
2
Módulo de Resiliencia (Er):determina cuanta energía elásticase usa en la deformación y cuantase traducirá en movimiento.
• Se calcula como el área bajo la curvade la zona elástica de un grafico de vs de un ensayo de tensión.Unidades: J/m3
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Tenacidad a la Tensión
34Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Curva Esfuerzo‐Deformación Ensayo de tensión
Tenacidad: cantidad de energíaalmacenada por el materialantes de romperse en unensayo de tensión.
• Se calcula como el área bajo lacurva de un grafico de vs deun ensayo de tensión.
• Unidades: J/m3
35Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Porcentaje de Elongación (%A):cuantifica la deformación permanentedespués de la falla sin incluir ladeformación elástica.
Ductilidad – capacidad de un material sedeformase permanentemente antes de romperse.
% · 100
Lf: longitud entre marcas después de la falla cuando ya no hay fuerza aplicada.
Lo: longitud inicial de la probeta.
Porcentaje de Estricción (%Z):reducción del área de seccióntransversal del material después de lafalla.
% · 100
Af: área transversal de la probeta despuésde la falla.
Ao: área transversal inicial de la probeta.
Fragilidad vs Ductilidad
36Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Los materiales dúctiles puedenexperimentar deformacionesplásticas sin romperse, contrario alos frágiles.
Curva Esfuerzo‐Deformación para Materiales Frágiles
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37Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Para la curva de Esfuerzo‐Deformación determine:
a) Límite de elasticidad o esfuerzode deformación
b) Resistencia a la tracción
c) Resistencia a la ruptura
d) Modulo de Young
e) Deformación en la falla
f) ¿El material es frágil o dúctil?
38Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Para la curva de Esfuerzo‐Deformación determine:
a) Límite de elasticidad o esfuerzo dedeformación o resistencia a laconformación (180 MPa)
b) Resistencia a la tracción (240 Mpa)
c) Tensión de ruptura (205MPa)
d) Modulo de Young
e) Deformación en la falla (0,0068)
f) ¿El material es frágil o dúctil?
39Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Tabla de resultados de un ensayo de tensión de una barra de aleación dealuminio de 0,505 in de diámetro y con longitud inicial entre marcas de 2 in.
Fuente: Askeland. The Science and Engineering of Materials. 6ª Ed. Cengage Learning. 2010
TAREA: grafique la curva de Esfuerzo Ingenieril vs DeformaciónIngenieril del aluminio (ver datos) y calcular las propiedadesmecánicas que sea posible del gráfico.
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40Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Tabla de resultados de un ensayo de tensión de una barra de aleación dealuminio de 0,505 in de diámetro y con longitud inicial 2 in.
Fuente: Askeland. The Science and Engineering of Materials. 6ª Ed. Cengage Learning. 2010
SOLUCIÓN
41Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Usando la siguiente gráfica calcular la longitud de la barra final si su longitud inicial era de 50 in. cuando se aplica un esfuerzo de tensión de 30000 psi.
Fuente: Askeland. The Science and Engineering of Materials. 6ª Ed. Cengage Learning. 2010
• Utiliza el mismo equipo quepara el ensayo de tensión,pero la muestra se somete auna carga aplastante.
• Muchos materialespresentan propiedades detensión y compresiónsimilares.
Ensayo de Compresión
42Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Equipo para Ensayo de Compresión
Image courtesy: http://www.cuadernodelaboratorio.es/cementera.html
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Modos de Deformación en el ensayo de compresión
43Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Curveada
De corte
De doble barril
De barril
Compresión homogénea
Compresión inestable
Ensayo de Plegado o Flexión
44Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ensayo a flexión estática de maderaImage courtesy: http://incafust.org/bloc/madera‐roble‐congreso‐forestal‐espanol/
Ensayo de Plegado
45Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Esquema de Ensayo de Plegado en 3 puntos.
• Se usa para determinar elcomportamiento a ladeformación demateriales frágiles (comolos cerámicos).
Image courtesy: Askeland. The Science and Engineering of Materials. 6ª Ed. Cengage Learning. 2010
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46Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Curva de esfuerzo deflexión para el MgO,obtenida a partir delensayo de flexión.
Resistencia a la Flexión = Módulo de Ruptura
47Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Donde:w: ancho de la muestra h: grosor de la muestra F: carga aplicada L: distancia entre puntos de apoyo
3 2
Resistencia a la Flexión (F):cantidad de esfuerzo de flexiónque un material puede soportarantes de romperse en un ensayode plegado.
Suposiciones de la correlación: la probeta tiene que ser rectangular y asume una respuesta de esfuerzo – deflexión lineal.
Módulo de Elasticidad en Flexión
48Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Módulo de Flexión (EF):relación del esfuerzo ydeflexión máxima, dentro dellímite elástico del diagramaesfuerzo‐deflexión obtenido enun ensayo de flexión.
Donde:F: carga aplicada (N)L: distancia entre rodillos (cm)w: ancho de la muestra (cm)h: grosor de la muestra (cm): cantidad de desviación experimentada por el material durante el doblado (deflexión) (cm)
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Suposiciones de la correlación: la probeta tiene que ser rectangular y asume una respuesta de esfuerzo – deflexión lineal.
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49Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
La resistencia a la flexión de un material compuestoreforzado con fibras de vidrio es de 45.000 psi y elmódulo de flexión es de 18x106 psi. Una muestra de esematerial, que tiene 0,5 in de ancho, 0,75 in de grosor y 8in de largo, está apoyada sobre dos varillas separadas 5in. Determine la fuerza requerida para fracturar elmaterial, y la deflexión de dicha muestra al momento dela fractura, suponiendo que no ocurre deformaciónplástica.R1= 122 lb y R2=0,0278 in
Ejercicio
50Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Dureza: resistencia de la superficie de un material a la penetración por un objeto duro.
¿En que consisten?
Aplicar un esfuerzo
Velocidad de aplicación de la fuerza
Determinar el tipo de deformación
que sufre el material con ese esfuerzo
¿Qué se mide?
?
• Esta relacionada con la resistencia al desgaste de los materiales.• Los materiales duros duran más.
Ensayos de Dureza
51Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Hay varios ensayos de dureza, pero todos implican la aplicación de una fuerza puntual por un objeto más duro y determinar
cuanta penetración tuvo la muestra.
Ensayo Penetrador Material Carga (Kgf) Medida Aplicación
Brinell
Esfera 10
mm de
diámetro
Acero o
Carburo de
tungsteno
3000
500
Rockwell ACono de
diamanteDiamante 60
Materiales
extremadamente duros
Rockwell E Bola de 1/8" Acero 100 Materiales muy suaves
VickersPirámide de
base cuadrada
Diamante 10
KnoopPirámide de
base elongada
Diamante 500
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Escala de Dureza Moh
52Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Escala común de dureza que usa minerales para calibrar su escala.
No es una escala lineal y es cualitativa.
Dureza Brinell (HB)
53Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Una esfera de carburo detungsteno (10 mm de diámetro)es presionada hacia el materialde ensayo.
• El diámetro de impresión se midey se usa para calcular la DurezaBrinell.
F
Di
HB: número de dureza Brinell(Kg/mm2) F: peso aplicado (kgf)D: diámetro de la esfera (10 mm)Di: diámetro de la impresión (mm)
2
Dureza Brinell
54Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• El ensayo de Dureza Brinell es: rápido, fácil, confiable y exacto.
• Es el ensayo más usado para medir dureza.
• No es destructivo.
• Los materiales mas duros tienen HB mas alto.
• Para metales la HB se encuentra entre 50 y 750 HBW.
• Se aplica sobre todo con materiales con base férrica o con aleaciones no férricas.
Probador de Dureza BrinellImage reference: Prof. Marcelino García EN: http://www.cuadernodelaboratorio.es/dureza.html
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55Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ejercicio Dureza
Sobre una muestra de metal se lleva a cabo unensayo Brinell. Sobre una bola de carburo detungsteno de 10 mm se aplica una carga de3000Kg por 30 segundos y deja una hendidurade 9,75 mm en la muestra. Calcule la durezaBrinell y determine donde encaja en la durezaMoh.
Respuesta 1: 24.55 kg/mm2
Respuesta 2: bajo dureza 2 escala moh
56Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ejercicio Dureza HB
En un ensayo Brinell, ¿Qué diámetro deimpresión resultaría al aplicar una carga de 3000Kg a una muestra con 420 kg/mm2 usando unaesfera de carburo de tungsteno de 10mm?
Respuesta: 2,9812 mm
Dureza Rockwell
57Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Determina el valor de dureza pormedio de la profundidad de laimpresión a diferentes fuerzas.
• Permite medir durezas en acerostemplados.
• Penetrador: cono de diamante paramateriales duros o esfera de aceropara materiales blandos.
• Unidad de medida: HR(adimensional)
Penetradores de Diamante de Dureza Rockwell.
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Dureza Rockwell
58Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Profundidad de la huella: e = h ‐ h0 HRD = 100 – 500 e
59Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ensayo Identador Carga (Kgf) Aplicación
Brinell Bola 10 mm 3000
Brinell Bola 10 mm 500
Rockwell ACono de diamante
60 Materiales extremadamenteduros.
Rockwell BBola de 1/16"
100 Latón y aceros de bajaresistencia
Rockwell C Cono de diamante 150 Aceros de alta resistencia
Rockwell D Cono de diamante 100 Aceros de alta resistencia
Rockwell E Bola de 1/8" 100 Materiales muy suaves
Rockwell F Bola de 1/16" 60 Aluminio y materiales suaves
Escalas de Dureza
Ref: Askeland. The Science and Engineering of Materials. 6ª Ed. Cengage Learning. 2010
Microdureza
60Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Qué pasa si la muestra que quiero analizar es destruida por fuerzas puntuales como las descritas en el ensayo
brinell o rockwell?
Ensayo Indentador Carga (Kgf) Aplicación
Vickers Pirámide de base cuadrada ‐ Diamante 10 Todos los materiales
Knoop Pirámide de base elongada ‐ Diamante 500 Todos los materiales
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Microdureza Vickers
61Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Probador de Microdureza Vickers
Relación entre Escalas de Dureza
62Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Los valores de la escala de Brinellpueden comparse con otrasescalas comunes como la durezaRockwell o Moh usando elgráfico.
• En general, los cerámicos son másduros que los metales.
• Los metales y aleaciones tienendureza intermedia.
• Los polímeros son materialesblandos.
Comparación de Escalas de Dureza
Ensayo de Impacto Charpy
63Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ensayo de Impacto Charpy:ensayo de impacto de un sologolpe en el cual la muestramellada es rota por un pénduloen movimiento.
• Un martillo con una elevacióninicial h0 es situado en un péndulo.Cuando se libera pasa a través dela muestra y termina en unamenor altura (hf)
• La energía de impacto es igual a laperdida de energía potencial:
eI = mg(h0 ‐ hf)
Esquema de un Sistema de Ensayo de Impacto Charpy.
hf
ho
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Orientación de la Muestra
64Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• La muestra usada en los ensayosde impacto es rectangular con unahendidura en un lado.
• La diferencia de los ensayosdepende de la orientación de lamuestra:
(a) Ensayo Izod – la muestra esubicada para que la hendidura. Seusa usualmente para plásticos.
(b) Ensayo Charpy – la hendidurade la muestra no esta alineada conel martillo. (J)
Alineación de muestra mellada en ensayos de impacto a) Izod y b) Charpy
65Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Se debe principalmente al grado decohesión entre moléculas.
• Propiedad que define la resistencia delmaterial a los golpes.
• Se mide a través del ensayo de impacto.
• El ensayo de impacto evalúa la fragilidadde un material a un impacto a granvelocidad.
Tenacidad al impacto: energía total queabsorbe un material antes de alcanzar larotura en condiciones de impacto, poracumulación de dislocaciones.
Propiedades del Ensayo de Impacto
66Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Un material sujeto a cargas deimpacto debe mantenerse porencima de la Temperatura deTransición. ¿porqué?
Ensayos de impacto Izod para un material termoplástico
Temperatura de Transición:temperatura a la cual un materialcambia de un comportamientodúctil a un comportamiento frágil.
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Ensayo de Fluencia
67Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Horno
Termopar
Elongación
Fluencia: deformaciónplástica en el tiempo deun material cuando estásujeto a una cargaconstante y a altatemperatura.
Image courtesy: http://www.twi‐global.com/EasysiteWeb/getresource.axd?AssetID=9801&type=full&servicetype=Inline
Ensayo de Fluencia
68Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
69Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ref: Askeland. The Science and Engineering of Materials. 6ª Ed. Cengage Learning. 2010
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Ensayo de Fluencia
70Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
TiempoTiempo
Aumenta Aumenta T
Ensayo de Fluencia
71Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Donde:L.M: Parámetro Larson‐MillerT: temperatura (K)t: tiempo de ruptura (h)A y B: constantes que dependen del material
72Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Diseñe los eslabones de una cadena que estarásometida a una tensión constante de 5000 lbfdurante 5 años a 600ºC.
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73Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
¿Cómo cambian las propiedades mecánicas
con el tiempo?
Ensayo de Fatiga
Fatiga: falla debido a lastensiones repetidas pordebajo de la resistenciaa la compresión otensión o debajo dellímite elástico.
Ensayo de Viga Voladiza
74Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ciclos de esfuerzo en ensayo de fatiga
Se cuenta el número de ciclos hasta que la muestra falla.
75Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
S,
Donde:L: longitud de la probeta m: cargad: diámetro de la probetaS: esfuerzo máximo que actúa en la probeta
Esfuerzo Máximo (S)
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Curvas S‐N
76Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Ensayo de Fatiga
77Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Determinar el número de ciclos de esfuerzo auna tensión dada que un material aguanta antesde fallar (vida a fatiga).
• Determinar el nivel de tensión bajo en cual hayun 50% de probabilidad de que nunca suceda lafalla (Esfuerzo Límite o límite de resistencia).
Resistencia a la Fatiga: esfuerzo máximo con elcual con el cuál no fatiga a un número particularde ciclos, como 500.000.000 ciclos.
Curvas S‐N
78Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
(Vida a Fatiga)
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Ejercicio
79Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Se requiere diseñar un eje en acero paraherramientas con una longitud de 96 inque debe operar durante un año bajo unacarga aplicada de 12500 lbf. Durante suoperación el eje girará a 1 rpm. El eje esde forma cilíndrica.
Estudio de Envejecimiento Acelerado
80Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Estándares ASTM
81Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• ASTM (American Society forTesting and Materials) hacompilado mas de 12,000estándares para la pruebade materiales.
• Provee una descripcióndetallada de losprocedimientos parapruebas de materiales.
• Permite comparación entredatos de diferenteslaboratorios.
• Leer artículo
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Estándares ASTM
82Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Tarea
• Leer el documento de lasnormas ASTM.
• Llevar a cabo el Taller de lasnormas ASTM.
• Los documentos están enBlackboard.
Tarea
83Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Estudiar los siguientes temas :
• Esfuerzo real vs. la deformación real en el ensayo detensión.
• Resistencia a la conformación compensatoria.• Error y Reproducibilidad en la medición.• Ensayo de termofluencia.
(Capítulo 3 del libro guía de Newell.)
Referencias
84Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
1. ASKELAND, Donald. R. “Ciencia e Ingeniería de los
Materiales”. 3ª Ed., Ediciones Paraninfo S.A., 1999.
ISBN 9789687529363.
2. NEWELL, James. “Ciencia de Materiales: Aplicaciones en
Ingeniería”. 1ra ed. México: Alfaomega Grupo Editor S.A
de C.V, 2011. 368 p. ISBN: 978‐607‐707‐114‐3.
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Fracturas Mecánicas
85Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Modo de Fallas dúctiles: a) de copa y conob) de corte lateral
• Las fallas de un materialresultan de la formación ypropagación de una grieta.
• Los materiales dúctiles sedeforman plásticamente en elárea de la falla y se adapta a supresencia.
• En los materiales dúctiles lasfallas crecen lentamente y estosfallan en modo (a) o (b).
Fractura Mecánica: estudio delcrecimiento de una grieta quelleva a una falla del material.
Ruptura Dúctil
86Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Imagen: Internet Electron Microscopy website, UMIST
Fractura Dúctil de Acero (‐20°C)
Ruptura Frágiles
87Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Imagen: Internet Electron Microscopy website, UMIST
Fractura Frágil de Acero (‐190°C)
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Propiedades de la Materia
88Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Propiedades Físicas: se pueden medir y observar sin que cambien lacomposición o la identidad de la sustancia. Ejemplo: color, punto defusión y punto de ebullición.Propiedades Químicas: para observar esta propiedades se debeefectuar un cambio químico. Ej: oxidación, etc
Propiedades Extensivas: depende de la cantidad de materia. Estaspropiedades se pueden sumar. Ej: el volumen, masa, peso, longitud,Propiedades Intensivas: no depende de cuanta materia se considere.No son aditivas. La densidad, temperatura, etc.
Propiedades Macroscópicas: pueden ser medidas directamente.Propiedades Microscópicas: se deben determinar por un métodoindirecto.
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Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal
1
Metales y Aleaciones
Metales y Aleaciones
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Metales
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Metales ‐ materiales queposeen átomos quecomparten electronesdeslocalizados.
¿Qué es?Esta categoría incluye las
aleaciones
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Estructura Cristalina
4Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
La mayoría de los metales elementales (90%) cristalizan al solidificar en 3 estructuras cristalinas
Obtención de Metales
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• La mayoría de los metalesse encuentran en lanaturaleza como óxidos demetal (MOx).
• Los óxidos de metal serefinan para obtener losmetales usando agentesquímicos reductores en unproceso llamado fundición.
Aleaciones
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Puente en Acero El puente Lupo es el más grande
del mundo, y se encuentra en China.
Aleaciones – solucionessólidas homogéneas de unmetal con uno o máselementos.
Con las aleaciones es posibleincrementar: resistencia, durezay otras propiedades comparadocon los metales puros.
7/20/2015
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Aleaciones
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
La constitución de unaaleación se describe por:
Esta constitución determina las propiedades de la aleación.
• Composición global• Número de fases• Composición de cada fase• Peso en cada fase
Diagrama de fases
Aleaciones
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Componentes – elementosen la aleación.
Fase – región de unmaterial que es uniforme yfísicamente.
Aleaciones binariasAleaciones ternariasAleaciones cuaternarias …..
Composición globalComposición en cada fase
Fracción peso, volumen o molar%wt
Diagramas de Fase
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Diagrama de Fase IsomórficoBinario para aleaciones de Cu‐Ni
Diagrama de Fase –representación gráfica delas fases presentes en elequilibrio como funciónde la temperatura y lacomposición.
Sirven para calcular la constituciónde una aleación y saber acerca de su procesamiento
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11Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Diagrama de Fase Isomórfico Binario para aleaciones de Cu‐Ni
A) Considere una mezcla de 50%Ni/50%Cu
B) Considere un sistema con 50%Ni a 1290°F
Interpretación de Diagramas de Fase
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Diagrama de Fase IsomórficoBinario para aleaciones de Cu‐Ni
• Considere una mezcla de50%Ni/50%Cu:
• Una sola fase sólida () existe atemperaturas menores de 1085°C.
• Entre 1085°C y 2650°F, una faselíquida existe en equilibrio con elsólido
• Justo arriba de 2400°F, el sólido sederrite y existe una sola fase líquida(L).
• La línea en un diagrama encima de lacual el líquido solamente existe enequilibrio se llama Línea de Líquidus.
• La línea de un diagrama de fases debajo de la cual los sólidos solo existen en equilibrio se llama línea de sólidus.
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Ejercicio:Determine la cantidad de materia en la fase líquida y sólida para una aleación 60% wt Ni a 1300°C si el sistema tiene una masa total 200 g.
13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Balance de Masa
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Donde:w: fracción en peso en la fase wL: fracción en peso en la fase L (%)MT:masa total M masa en la fase MLmasa en la fase L
M + ML = MT (BM Total)
w M + wL ML = wTMT (BM por componente)
Un balance de masa total y por componentes determinarála cantidad total de materia en cada fase:
Regla de la Palanca
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• El balance de masa funciona entodos los casos, pero también sepuede usar la regla de lapalanca (lever rule).
• Con una base de cálculo de 1 g,la masa de cada fase se puedecalcular de la siguiente forma:
M= A/(A+B) ML = B/(A+B)
SL o
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16Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Sistema Eutéctico Binario
Líneas
17Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Diagrama de Fase Eutéctico Binario de un Sistema de Pb‐Sn
Líneas de Solvus
Líneas de Sólidus
Línea de Líquidus
Metales y Aleaciones
18Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Brillo• Ductilidad• Alta dureza• Tenacidad• Maleabilidad• Alta rigidez • Alta resistencia mecánica• Alta conductividad eléctrica y térmica
La importancia de los metales yaleaciones a nivel comercial radicaen las siguientes propiedades:
¿Qué es?
7/20/2015
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Clasificación de Metales
19Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Acero al Carbono
20Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Se produce a partir de:mineral de hierro, carbón ypiedra caliza.
• La piedra caliza forma unaescoria que remueveimpurezas.
• El mineral de hierro esreducido a Fe0.
• O2 es adicionado para removerel exceso de carbono. Proceso de Manufactura de Acero
Acero ‐ aleación deátomos de carbonointersticiales en unamatriz de hierro (Fe).
2Ton
0,25 Ton
1Ton
1Ton
Diagrama de Fase de Acero al Carbono
21Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
El máximo %C en hierro es 6.7%. Por encima de 6,7%C, precipita Carburo de Hierro(Fe3C), esta fase dura y frágil se llama Cementita.
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22Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
La solubilidad del C en hierro BCC es baja (máx 0.022%)
‐Ferrita (BCC)
Acero al Carbono
23Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
‐Ferrita (BCC)
• Solubilidad delC en hierro BCCen este caso es(0.09%)
Diagrama de Fase de Acero
24Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Una combinación de ‐Ferrita (BCC) y Cementita, se llama Perlita
• La microestructura deperlita consiste enlaminas alternadas decementita y ‐ferrita.
• El grosor de las laminasdepende de lascondiciones de proceso.
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Acero al Carbono
25Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
‐Austenita (FCC)
• Existe solo entre727°C y 1493°C.
• Solubilidad de C(hasta 2.08%).
Productos en Desequilibrio del Acero al Carbono
26Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• El enfriamiento del laaustenita de forma rápidagenera productos noequilibrados de interéscomercial:
• Martensita• Bainita• Esferoidita• Perlita Gruesa• Perlita Fina
• Estos productos no estánen este diagrama.
27Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Fase Microestructura Conformado por Propiedades Mecánicas
MartensitaCeldas BCC alargadas y C intersticial en la red
cristalina del Fe
Templado rápido de austenita hasta Tamb
Más dura y fuerte pero difícil de maquinar. Muy baja
ductilidad.
BainitaPartículas alargadas de cementita en una matriz de ‐Ferrita
Templado de austenita entre 550°C
a 250°C, manteniendo T
Segunda en dureza y resistencia que la martensitapero más dúctil y más fácil de
maquinar.
EsferoiditaEsferas de Cementitaen una matriz de ‐
Ferrita
Calentar bainita o perlita de 18 a 24h cerca de 700°C
Menos dura y fuerte que los productos no equilibrados pero más dúctil y fácil de
maquinar
Perlita Gruesa
Capas gruesas alternantes de
cementita y ‐Ferrita
Tratamiento isotérmico justo por
debajo de la temperatura eutectoide
La menos fuerte y dura a excepción de la esferoidita. La segunda después de la esferoidita en dúctilidad.
Perlita FinaCapas delgadas de
cementita y ‐FerritaTratamiento calórico
a T más bajas
Entre la bainita y la perlita gruesa en resistencia y
ductilidad.
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10
Aceros Aleados
28Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Contienen hasta 50% de elementos no ferrosos.
• Acero con al menos 12%Cr se llaman Aceros Inoxidables.
• Los aceros inoxidables tienen bajo contenido de C.
Aceros Aleados – solucionessólidas de hierro‐carbonocon elementos adicionalesañadidos para cambiar suspropiedades.
Tipos de Acero Inoxidable
29Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
AceroInoxidable
Composición Características
FerríticoAceros con al menos 12%Cr queno contienen níquel.
Son más baratos que losque contiene níquel.
Martensítico
Aceros que contiene entre 12‐17% Cr y 0,15‐1% C. Puedesometerse a la transformaciónmartensítica.
Son más fuertes y durosque los ferríticos pero sonmenos resistentes a lacorrosión.
AusteníticoAceros con al menos 12%Cromo,y 7‐20%Ni para mantenerestructura FCC,
Más maleable y másresistente a la corrosión.Los más costosos por el NiSon muy dúctiles
30Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Contienen entre 0,6‐1,4% C.
• Normalmente son aleadoscon elementos que formancarburos como: cromo,níquel, tungsteno y/ovanadio.
• Por sus propiedades son muyusadas en la industria.
Aceros para Herramientas – soluciones sólidas dehierro‐carbono con alto contenido de carbonoque resulta en mayor dureza y resistencia aldesgaste.
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Código de 4 dígitos AISI‐SAE (American Iron and Steel Institute ‐ Society for Automotive Engineers).
Los 2 primeros dígitos para los aceros al carbono simple son el número “10”.
Los 2 últimos dígitos indican el contenido de carbono en centésimas de punto porcentual.
Designaciones AISI/SAE para Aceros
Ejemplo:
AISI‐SAE 1080
Acero al bajo carbono
0,8% de Carbono (en peso)
Cobre y sus Aleaciones
33Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• El 50% del mineral de cobre proviene decalcocita (Cu2S) y el 25% de calcopirita(CuFeS2).
• El cobre puro es de color rojo en estadometálico y forma una pátina verdecuando está oxidado (como en la estatuade la libertad).
• Características:⁻ Uso comercial significativo sinaleantes
⁻ Altamente conductivo⁻ Resistente a la corrosión⁻ Moldeable⁻ Densidad moderada (8.94 g/ml)⁻ Es tóxico
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Cobre Comercial
34Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Usualmente se usa Cd comoaleante (Cd, Sn, Zn, Pb…)para incrementarresistencia y dureza sinperder conductividad.
• El cobre puede formar 82aleaciones binariasdiferentes.
• Las dos aleaciones máscomunes son latón (cobre‐zinc) y el bronce (cobre‐estaño)
Cobres de Baja Aleación –soluciones sólidas quecontienen al menos 95% Cu.
Chuquicamata es una mina de cobre a cielo abierto ubicada en Chile.
35Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Los latones son: fuertes, brillantes, y más resistentes a la corrosión que el cobre puro. Son fácilmente moldeables.
• Se adiciona plomo (hasta 4%) para mejorar la maquinabilidad.
Diagrama de Fase para Latónes
Latón – Aleación de Cu‐Zn.
Diagrama de Fase Cu‐Zn
36Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Incrementa resistencia del metalDisminuye resistencia a la corrosión y ductilidad
fase BCC
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Bronce
37Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Diagrama de Fase Cobre‐Estaño
• El bronce es más duro que lamayoría de aleacionescomerciales, es resistente a lacorrosión, y fácilmente maleable.
• Muchos bronces tienen alrededorde 10% estaño (Sn).
• Es adecuado para fundición enmoldes por que el metal secontrae ligeramente durante elenfriamiento y por esto es muyfácil desmoldarlo manteniendo laforma.
Bronce – Aleación de Cu‐Sn.
Otros Aditivos del Bronce
38Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Se adiciona Silicio (1‐3%) paraendurecer el bronce para serconformado pero su resistencia químicamejora.
Uso: contenedores químicos.
• El plomo (hasta 10%) suaviza el bronces,haciéndolo más fácil de conformar, peroson menos fuertes y más frágiles que elbronce normal.
• También se adiciona antimonio albronces que se usa para herramientaspara endurecer el material.
Aluminio
39Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• El aluminio es elelemento metálicomás abundante dela tierra.
• Producido a partirde Bauxita (AlOx).
• Características:
⁻ Su densidad (2.7 g/ml) es 1/3 de la del acero.⁻ Alta ductilidad y maleabilidad.⁻ Relativamente blando.⁻ Red cristalina FCC
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14
Aleaciones de Aluminio
40Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• El aluminio es usado extensivamente es: industria aeroespacial,latas de bebidas, carros y empaques.
• Usualmente se alea con: Mg, Cu, Li, Si, Sn, Mn y/o Zn.
• Son más duras y resistentes, pero son menos resistente a lacorrosión que el aluminio puro.
• Se clasifican en aleaciones de forja ó fundidas.
Forja – conformado pordeformación plástica.
Fundida – reformado al serderretido y vertido en un molde.
¿Qué Limitaciones tienen los Metales?
41Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• El deterioro de los metales debido a suexposición al medio ambiente cuesta ala industria miles de millones dedólares.
• El proceso de corrosión es natural yespontáneo.
• Hay varios procesos de corrosión: porpicaduras, intergranular, corrosión bajotensión, erosiva, , selectiva,…
Corrosión – deterioro de unmaterial a consecuencia de unataque electroquímico por suentorno.
Reciclaje de Metales
42Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Los metales son losmateriales mas fáciles dereciclar.
• Solo el 50% de los metalesse reciclan en U.S. Y enColombia?
• El metal para reciclaje sellama chatarra.
• La Chatarra es un bienescaso y valioso.
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Operaciones de Conformado
43Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Operaciones deConformado – técnica paraalterar la forma de losmetales sin derretirse.
Los metales, se procesan enla forma deseada mediantelas siguientes operacionesde conformado:
• Forjado• Laminado• Extrusión• Trefilado
Forjado
44Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Forjado – procesomecánico para darlenueva forma al metal.
• Puede ser un procesomanual usandomartillazos o presión.
F
F
Metal Virgen
Laminado
45Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Laminado – adelgazamientode una hoja de metal alpresionarla entre dosrodillos, cada uno aplicandouna fuerza de compresión.
• La reducción del grosor esmuy significativa.
• El papel de aluminio sehacen laminando lingotesgrueso de aluminio.
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Extrusión
46Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Extrusión – proceso en el queun material es empujado através de un troquel, lograndoque el material tome la mismaforma del orificio del troquel.
• Secciones transversalesmuy complejas.
• Fuerzas de compresión yde cizallamiento.
Aluminum Extrusion Profile
Trefilado
47Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Trefilado – proceso en el que unmetal es jalado a través de untroquel, haciendo que el materialforme un tubo del mismo tamañoque el orificio en el troquel.
• Similar a la extrusiónpero la fuerza que seaplica es del ladoopuesto.
• Ventajas:⁻ Buena calidad superficial
⁻ Precisión dimensional
⁻ Aumento de resistencia ydureza
⁻ Posibilidad de producirsecciones muy finas.
Trabajo en Frío
48Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Resulta en una deformación plásticasignificativa pero en menorductilidad.
• La pendiente de la curva deesfuerzo – deformación no cambiapero si el límite de fluencia.
• También se conoce comoEndurecimiento por Deformación.
Trabajo en Frío ‐ es ladeformación de un materialarriba de su resistencia a laconformación pero debajo de sutemperatura de recristalización.
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Tareas
49Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Estudiar la clasificación de los aceros segúnNorma SAE (Ver archivo en blackboard).
• Estudiar la nomenclatura de las aleaciones dealuminio (Newell, Cap 4).
• Leer acerca de los tipos de corrosión (Newell, Cap4).
Entidades Normalizadoras
50Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
AISI INSTITUTO AMERICANO DEL HIERRO Y EL ACEROSAE SOCIEDAD DE INGENIEROS AUTOMOTRICESAPI INSTITUTO AMERICANO DEL PETRÓLEOASME SOCIEDAD AMERICANA DE INGENIEROSMECÁNICOSASTM SOCIEDAD AMERICANA DE PRUEBAS DEMATERIALESISO ORGANIZACIÓN INTERNACIONAL DE ESTÁNDARESAWS SOCIEDAD AMERICANA DE SOLDADURA
51Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Bibliografía
1. NEWELL, James. “Ciencia de Materiales:
Aplicaciones en Ingeniería”. 1ra ed. México:
Alfaomega Grupo Editor S.A de C.V, 2011. 368 p.
(ISBN: 978‐607‐707‐114‐3). Capítulo 4.
2. Corrosión:
http://classroom.materials.ac.uk/ecorr.php
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1
Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal Castrillón
1
Materiales Cerámicos y de Carbono
Materiales Cerámicos
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Amplio rango de composiciones ypor eso amplio rango depropiedades.
• La mayoría tienen enlaces iónicoso mezclas de enlaces iónicos ycovalentes.
• Los enlaces iónicos causan que loscerámicos sean frágiles.
Cerámicos – compuestos que tienen átomosmetálicos enlazados a átomos no metálicos comoO, C, N.
Propiedades de los Cerámicos
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Alta dureza
• Resistentes al desgaste
• Estabilidad química
• Frágiles y rígidos
• Son inmunes a la corrosión
• Algunos son traslucidos
• Aislantes eléctricos y térmicos
• Altas temperaturas de fusión
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2
Aplicaciones de los Cerámicos
4Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
•Abrasivos•Vidrios•Cementos
•Refractarios•Productos estructurales de arcilla•Cerámicos blancos
•Cerámicos avanzados
Abrasivos
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Pulidora y suspensiones de pulido
Reciclaje de Materiales Cerámicos
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Debido a que los materialescerámicos no se corroen, estoduran más en el tiempo quelos demás materiales.
• Esa misma resistencia haceque los cerámicos seandifíciles de reciclas (excepto elvidrio).
• La mayoría de los cerámicostermina en rellenos sanitarios.
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3
Actividad de Clase
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Leer capítulo 6 del libro de Newell.
• Buscar los términos que desconozca y hacer unglosario con ellos.
• Hacer un mapa conceptual para resumir yesquematizar los conceptos más importantes de losmateriales cerámicos.
• Las anteriores actividades son individuales.
• No se aceptan trabajos fuera de clase.
Materiales de Carbono
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Pueden ser materiales naturales hasta de tecnología avanzada
• Algunos materiales de carbono importantes incluyen:
• Grafito• Diamante
• Fibras de Carbono• Fullerenos• Nanotubos de Carbono
Alotropía y Anisotropía
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Alotropía – característica de unmaterial que es capaz de existircon más de una estructuraquímica, dependiendo de latemperatura y presión.
Anisotropía – característica de unmaterial de tener propiedadesque dependen de la direccióncristalográfica a lo largo de la cualse mide la propiedad.
• Ejemplos: madera, grafito,aluminio…
• Si los valores de las propiedadesson idénticos en todas lasdirecciones, el material esisotrópico.
• Ejemplos:
• alótropos del carbono: diamante, grafito, etc
• Alótropos del oxígeno: O2, O3
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4
Grafito
10Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Grafito – material de carbono alotrópico queconsiste de anillos aromáticos de seismiembros de carbono enlazados en planoslisos, permitiendo la fácil ocurrencia dedeslizamiento entre planos.
Estructura del Grafito
• Tienen enlaces covalentes entre C en el anillo son muyfuertes, y hay interacciones de Van Der Waals entreplanos. Esto causa anisotropía.
• Material suave (Dureza Moh: 1 ‐ 2), frágil, fuerte, mayorMódulo de Young (1080 GPa)
• Conductor eléctrico y térmico entre los planos de capapero aísla en dirección perpendicular al plano.
Diamante
11Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Forma una estructura FCC transparentede C ocupando 4 de las 6 posicionesoctaédricas.
• Material más duro (Dureza Moh= 10) ysolo puede rayarse usando otro metal.
• Son incoloros a menos de que tenganimpurezas.
Hope Diamond
Diamante – forma alotrópicaaltamente cristalina del carbonoque es el material más duroconocido. Estructura cristalina del diamante
Usos Comerciales del Diamante
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Los diamantes con color, tamaño yclaridad adecuada se usan comogemas.
• Los diamantes que carecen de la calidadde gema y se usan para propósitosindustriales (diamantes negros).
• 80% de los diamantes se clasificancomo diamantes negros. Usos:
• Navajas de sierras
• Puntas de broca
• Agentes pulidores …
Cullinan I
7/20/2015
5
Fibras de Carbono
13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Fibras que contienen al menos 92% wt de carbón.
• Sus propiedades dependen de su procesamiento y materiales precursores.
• Tienen un amplio rango de propiedades mecánicas, químicas y térmicas.
• Se producen a partir de precursores orgánicos por un proceso en 3 etapas: estabilización, carbonización y planos de capas de grafenos.
Fibras de Carbono – formas decarbono hechas al convertir una fibraprecursora en una fibra totalmentearomática con propiedadesmecánicas excepcionales.
Fibras de Carbono
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Algunas aplicaciones:
• Aeronaves militares
• Equipos deportivos
• Baterías
• Carbones activados
• Carrocería de automóviles
Fullerenos (Buckyballs)
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Los fullerenos son alótropos de carbonocon 60, 70, 76 o 78 átomos de carbono enestructuras de jaula vacía.
• La estructura de caja abierta dadiferentes posibilidades de aplicacionesindustriales y comerciales comoantibióticos, superconductores, etc
Buckyballs (C60) resemble the balls used in football
Fullerenos de Buckminster –alótropos de carbono con por lomenos 60 átomos de carbonoformados como una pelota defutbol.
7/20/2015
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Nanotubos de Carbono
16Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Son materiales de carbonoprometedores.
• Son mas fuertes que el acero porunidad de peso, y 6 veces másfuertes que las fibras decarbono.
• Tienen propiedades eléctricasexcepcionales afectadas por laestructura del tubo y sus capas.
• Son muy costosos de fabricar loque limita su uso comercial.
Tarea
17Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Leer Capitulo 6 del libro guia de Newell.
18Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Bibliografía
1. NEWELL, James. “Ciencia de Materiales: Aplicaciones en
Ingeniería”. 1ra ed. México: Alfaomega Grupo Editor S.A de C.V,
2011. 368 p. (ISBN: 978‐607‐707‐114‐3). Capítulo 6.
2. Groover, M. “Fundamental o Modern Manufacturing”:Materials
Processes and Systamen”. Wiley. 5th Edition.
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7
Ceramic Nanoparticles
19Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
7/20/2015
1
Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal
1
Polímeros
¿ Qué son los polímeros?Raíz griega: poli (muchos) + meros (unidades o partes)
Los polímeros son macromoléculas de alto peso molecular.Están constituidos por unidades estructurales (moléculas máspequeñas) que se repiten llamadas monómeros.
Monómero“Bloques de Construcción”
Polímero
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Estructura
Poliestireno (PS)
Etileno (Monómero)
Polietileno (PE)
USOS (PE): Bolsas plásticas, Contenedores, Tuberías, Envases, etc..
USOS (PS): Carcasas, Juguetes, Embalajes, Aislante, etc..
n
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
7/20/2015
2
Polímeros
4Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Polímeros – cadena de moléculasenlazadas covalentemente conunidades monómeras pequeñasrepetidas de extremo a extremo.
Los polímeros pueden ser naturales o sintéticos.
Átomos Comunes en Polímeros
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Propiedades de los Polímeros
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Baja densidad en relación con los metales y cerámicos.
• Buena relación resistencia/peso para algunos polímeros
• Alta resistencia a la corrosión
• Baja conductividad eléctrica y térmica
• Algunos son traslucidos o transparentes
• Alta elasticidad en elastómeros
7/20/2015
3
Limitaciones de los Polímeros
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Baja resistencia comparado con metales y cerámicos
• Baja rigidez en los elastómeros
• Bajo rango de temperaturas de operación
• Baja estabilidad a la luz y radiación de algunos polímeros
Tipos de Polímeros
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Termoplásticos: polímeros con unpunto de fusión bajo debido a la faltade enlace covalente entre las cadenasadyacentes. Se pueden derretirrepetidamente y ser reformados.
• Termoestábles: polímeros que nopueden ser derretidos repetidamente yreformados ya que tienen un fuerteenlace covalente entre cadenas.
• Elastómeros: polímeros con altaelasticidad cuando son sometidos a nesfuerzo mecánico relativamente bajo.
Chaleco AntibalasKevlar© y Zylon©
Actividad de Clase
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Leer capítulo 6 del libro de Newell.
• Buscar los términos que desconozca y hacer unglosario con ellos.
• Hacer un mapa conceptual para resumir yesquematizar los conceptos más importantes de losmateriales cerámicos.
• Las anteriores actividades son individuales.
• No se aceptan trabajos fuera de clase.
7/20/2015
4
10Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Bibliografía
1. NEWELL, James. “Ciencia de Materiales: Aplicacionesen Ingeniería”. 1ra ed. México: Alfaomega GrupoEditor S.A de C.V, 2011. 368 p. (ISBN: 978‐607‐707‐114‐3). Capítulo 6.
2. Groover, M. “Fundamentals of ModernManufacturing: Materials, Processes, and Systems”.Wiley. 4th Edition.
7/20/2015
1
Departamento de Ingeniería Industrial
Pontificia Universidad Javeriana
Adriana Aristizábal Castrillón
1
Materiales Compuestos
Materiales Compuestos
2Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Sinergia.
• Difieren de las aleaciones.
Compuestos – material formadoal mezclar dos o más materialesen distintas fases causando unnuevo material con diferentespropiedades de los padres.
Materiales Compuestos
3Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Compuesto = Matriz + Material de Refuerzo + Poros
Matriz – material en un compuesto que protege, orienta ytransfiere carga al material reforzante. Es la fase continua.
Refuerzo – Fase dispersa en la matriz que le proporcionapropiedades mejoradas (fibras, partículas, láminas…)
Conectividad – como la fase dispersa está dispuesta conrespecto a la fase continua en el material compuestos.
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2
Clasificación
4Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Tipos de Materiales Compuestos
5Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Granuloso – contiene grannúmero de partículas gruesas.
Aggregate Concrete
http://www.concretenetwork.com/blogs/images/Is%20Lightweight%20Concrete%20Necessary%20for%20Countertops.doc.jpg
Microstructure of a fine‐grained, silicate‐bonded silicon carbide
Compuestos Particulados
6Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
SEM depicting the differentparticle sizes of acomposite resin.
Agregados: Finos = dp < 0,25 in
Gruesos = dp > 0,25 in
• Isotrópicos • Baja resistencia • Mayor E• Reduce ductilidad• Propiedades mejoradas e inusuales
• Fáciles de fabricar a bajo costo
7/20/2015
3
Compuestos Particulados
7Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
ConcretoConcreto
Asfalto
¿Donde encuentro las propiedades de los materiales
compuestos?
8Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Regla de Mezclas
9Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Suposiciones y limitaciones:• Se consideran mínimo tres fases: matriz + fibra + poros• Las propiedades de los poros (espacio vacío) son cero más su fracción en volumen no.• Las partículas están distribuidas uniformemente
(fi) = 1
Pc = (Pi fi)
Donde:: fracción de volumen de cada fase i del compuesto.: propiedad de la fase i incluyendo los poros.
Compuestos Particulados
7/20/2015
4
Ejercicio
10Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
A cemented carbide cutting tool usedfor machining contains 75%wt WC(Tungsten Carbide), 15%wt TiC , 5%wtTaC, and 5%wt Co.
Material WC TiC TaC Co
(g/cm3) 15,77 4,94 14,5 8,83
Compuestos Particulados
Estimate de density of the composite.
Respuesta: 11,5 g/cm3
Tipos de Materiales Compuestos
11Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Reforzado con fibra – un compuesto en el cual el únicomaterial forma la matriz exterior y transfiere las cargasaplicadas a las fibras más fuertes y más frágiles.
Fiber‐Reinforced Concrete
Compuestos Reforzados con Fibra
12Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
SEM image of a carbon/carboncomposite composed of fibers(in blue) and silicon carbide (inbrown)
• Matriz: tenaz, dúctil
• Fibras: fuertes, rígidas, frágiles,baja densidad. Pueden sercontinuas o discontinuas.
• Mejoran resistencia térmica y ala fatiga, rigidez, tenacidad.
Photo Credit: © Eye of Science/Photo Researchers, Inc.
7/20/2015
5
Compuestos Reforzados con Fibra
13Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Selección de Fibras
14Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Selección de Matriz
15Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Materiales Características
Poliméricas
Se usan diferentes resinas (de poliéster,epóxicas, fenólicas, de éster de vinilo, depoliamida) que tienen diversas propiedades ycostos.
Metálicas
Alto costoAlta resistencia mecánica y a temperaturaAlta resistencia ambiental y a la abrasiónAlta conductividad térmica y eléctrica
CerámicosAlta resistencia a corrosión y temperaturaBaja densidad y alta tenacidad
Compuestos Reforzados por Fibra
7/20/2015
6
Factores que Afectan las Propiedades
16Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Enlace entre matriz y fibra.
• Dirección (anisotropía).
• Longitud ( ) y diámetro ( ) de la fibra.
• Cantidad y orientación de la fibra.
• Propiedades de las fases (regla de mezcla).
Compuestos Reforzados por Fibra
Factores que Afectan las Propiedades de Compuestos Reforzados con Fibra
17Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Impacto de la Cantidad y Orientación de la Fibra
80%Desempeño
35% ≤ ≤50%
Factores que Afectan las Propiedades de Compuestos Reforzados con Fibra
18Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
2
RelacióndeAspecto /
Donde:: longitud crítica.: resistencia a la tracción de la fibra.
: calidad del enlace entre fibra y matriz (wetout)
Impacto de la Longitud ( ) y Diámetro ( ) de la Fibra
7/20/2015
7
Regla de Mezcla
19Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Suposiciones y limitaciones:• Se consideran mínimo tres fases: matriz + fibra + poros• Las propiedades de los poros (espacio vacío) son cero más su fracción en volumen no.• Sirve para calcular: densidad (), conductividad térmica (k) y eléctrica longitudinalmente,si la fibra es continua y unidireccional.
(fi) = 1
Pc = (Pi fi)
Donde:: fracción de volumen de cada fase i del compuesto.: propiedad de la fase i incluyendo los poros.
Compuestos Reforzados por Fibra
Regla de Mezcla para E y
20Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Esfuerzo aplicado longitudinalmente:
Condición de Isodeformación (c =m=f )
c = m fm + f ff
c = m fm + f ff
Si la fibra es continua,unidireccional y fuertementeenlazada a la matriz.
Compuestos Reforzados por Fibra
Regla de Mezcla para E y
21Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Esfuerzo aplicado transversalmente enun ensayo de tensión a materialescompuestos reforzados con fibra:
condición de Isoesfuerzo (c=m=f)
c = m fm + f ff
• Válido si la fibra es continua, unidireccional y fuertemente enlazada a la matriz.
Compuestos Reforzados por Fibra
7/20/2015
8
Ejercicio
22Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Un compuesto cilíndrico reforzado con fibra, con un área transversalde 100 mm2 se compone de 60% v/v de una matriz polimérica,35%v/v de fibras reforzantes de fibra de vidrio, y 5%v/v deporosidad.
a) Calcule densidad del compuesto.
b) Calcule Ec en dirección longitudinal.
c) Calcule Ec en dirección transversal.
Material (kg/m3) E (Gpa)
Matriz Polimérica 1,2 3
Fibra de Vidrio 2,58 22
Compuestos Reforzados por Fibra
Tipos de Materiales Compuestos
23Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Laminares – materialconformado por capas demateriales diferentes alternadas.
Compuestos Laminares
24Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Muy Anisotrópicos.
• Bajo costo y bajo peso.
• Mejora resistencia a la corrosión.
• Mayor resistencia.
7/20/2015
9
Compuestos Laminares
25Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Regla de Mezcla
26Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Suposiciones y limitaciones:• Se consideran mínimo tres fases: matriz + fibra + poros• Las propiedades de los poros (espacio vacío) son cero más su fracción en volumen no.• Sirve para calcular: densidad (), conductividad térmica (k) y eléctrica módulo deelasticidad (E), paralelo a la lámina.
(fi) = 1
Pc,II = (Pi fi)
Donde:: fracción de volumen de cada fase i del compuesto.: propiedad de la fase i incluyendo los poros.
Compuestos Laminares
Regla de Mezcla
27Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Suposiciones y limitaciones:• Se consideran mínimo tres fases: matriz + fibra + poros• Las propiedades de los poros (espacio vacío) son cero más su fracción en volumen no.• Sirve para calcular: densidad (), conductividad térmica (k) y eléctrica módulo deelasticidad (E), perpendicular (pc, ) a la lámina.
(fi) = 1 Donde:: fracción de volumen de cada fase i del compuesto.: propiedad de la fase i incluyendo los poros.
Compuestos Laminares
1
c, P
7/20/2015
10
Concurso
28Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Fabricar ustedes un material compuestominimizando densidad. Traerlo a clase con untrabajo escrito (1 pág máx) especificado enblackboard.
Tarea
29Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
• Leer el artículo: “Materials andTechnology in Sports”.
• Leer Capítulo 7 del libro Newell.
• Taller de Materiales Compuestos.
30Ciencia de los MaterialesDepartamento de Ingeniería Industrial
Bibliografía
1. NEWELL, James. “Ciencia de Materiales: Aplicaciones en
Ingeniería”. 1ra ed. México: Alfaomega Grupo Editor S.A de C.V,
2011. 368 p. (ISBN: 978‐607‐707‐114‐3). Capítulo 6.
2. ASKELAND, Donald, FULAY, Prader and WRIGHT, Wendelin. “The
Science and Engineering of Materials”. 6ta ed. Stamford:
Cengage Learning, 2011. 921 p. Capítulo 17.