Introduccion a la ciencia de los materiales

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
Sede Medellín
Facultad de Minas
DEPARTAMENTO DE MATERIALES Y MINERALES
Curso:
Ciencia de Materiales

2. Programa Resumido
Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales
Estructura Atómica y Disposición Espacial de átomos y Moléculas
Microestructura, Transformaciones de Fase y Propiedades de los
Materiales
Aplicaciones
Configuración electrónica en sólidos, Enlace químico, Cristales,
Compuestos Químicos, Soluciones Sólidas, Macromoléculas
Defectos puntuales, lineales, bidimensionales y volumétricos
Termodinámica y Cinética de Reacciones, Difusión
Propiedades Térmicas, Ópticas, Mecánicas, Eléctricas
Relación Estructura-Propiedades, transformaciones en estado sólido
Diagramas de Fase, Solidificación
Sinterización, Viscoelasticidad, Anelasticidad, Memoria de forma

3. El ciclo de los materiales

4. Algunas Preguntas
• Por qué la ropa se arruga? Por qué se
«desarruga» cuando se plancha? Por qué
funciona mejor el planchado con agua?
• Cómo borra un borrador de goma?
• Cómo funciona el “superbonder”?
• Si el Teflon es antiadherente, por qué se
adhiere a la olla cuando la fabrican?

5. Clasificación Tecnológica de los
Materiales de Ingeniería
Metales
Cerámicos
Polímeros
Compuestos Semi / Superconductores Biomateriales
Combinación de elementos metálicos
Alta cantidad de electrones libres
Buenas conductividad térmica y eléctrica, tenacidad
Combinación de elementos metálicos y no metálicos
Aislantes térmicos y eléctricos
Duros y frágiles
Compuestos orgánicos basados en C, H y otros
Estructuras moleculares muy grandes
Baja densidad, baja resistencia a altas temperaturas

6. Clasificación según el tipo de Enlace Químico
Cerámicos
Metales
Covalente
Semiconductores
Secundario
Iónico
Metálico
Polímeros

7. Relación Microestructura -
Propiedades
MICROESTRUCTURA
PROPIEDADES
PROCESAMIENTO
DESEMPEÑO

8. Aleaciones de Ingeniería
Micrografía óptica de un latón
policristalino.
100X.
Macrografía óptica de una unión
soldada.
Aleación Nb-10%Hf-10%W. 15X

9. Cerámicos de Ingeniería
Micrografía óptica de transmisión
de Si3N4, 750X
Al2O3 en tres diferentes condiciones
Policristal poroso
monocristal Policristal denso

10. Polímeros de Ingeniería
Micrografía óptica de transmisión
de um polietileno de estructura
esferulítica. 525X.
Diferentes tipos de estructuras
de macromoléculas
Lineal Ramificada
Enlaces cruzados Red

11. Materiales Compuestos
PTFE reforzado con fibras cerámicas
duras
•Constituidos por más de
un tipo de material
“básico”
•Combinan las mejores
propiedades de
materiales muy
diferentes

12. Semiconductores
•Propiedades de conducción
eléctrica intermediarias entre
conductores y aislantes
•Muy susceptibles a cambios
pequeños en composición y
microestructura
“Wafer” de Si para chip de
computador

13. Biomateriales
•Alta resistencia a
corrosión
•Biocompatibilidad
•Bioactividad
•Resistencia a la fatiga
Implante de cabeza de fémur, Titanio +
UHMWPE

14. Materiales de Ingeniería
Objetivos Iniciales
•Identificarlas principalescaracterísticas TECNOLÓGICASde los grupos más
importantes de materiales de Ingeniería
•Identificarlos procesos utilizadospara obtener estos grupos de materiales
•Descubrir por qué es necesario conocer en detalle la naturaleza electrónica,
atómica y el arreglo espacial de los materiales para poder controlar sus
propiedades y desempeño en operación

15. Metales y Aleaciones
Base Fe
Base Ti
Rigidez
Base Ni
Base Al
Base Cu
Base Mg
Baja Densidad
ConductividadEléctrica
Fragilidad
ConductividadTérmica
Resistenciaa Corrosión
Relación /
Tenacidad
Resistenciaa altas temperaturas

16. Metales y Aleaciones
Fusión y Solidificación
•Altareversibilidad en el
proceso
•Buencontrol de la
microestructura
•Altoconsumo de Energía
•Lingotes
•Fusión Continua
•CeraPerdida
•Coquilla

17. Metales y Aleaciones
Conormación Mecánica y termo-mecánica
•Altoconsumo de energía
•Buencontrol de propiedades mecánicas
•Diversidad de formas y tamaños
•Producción a gran escala

18. Metales y Aleaciones
Soldadura
0,7 (210 MPa)
0,9 (280 MPa)
1,7 (350 MPa)
1,3 (280 MPa)
1,5 (350 MPa)
Aparência visual da raiz da solda, apresentando uma Resultado do teste de embutimento, com trincas
Aplicación Especial:
“Blank” Soldado
•Versatilidad
•Economía
•Resistencia/ Densidad

19. Metales y Aleaciones
%N absorbido
en el espesor
Xc
Tratamientos Superficiales
  Xc
0
Xc
x
0
x
0
s
s N
%
dx
Dt
2
x
erf
C
C
C
d
1


















n
i
Dt
Xc i
i ...
,
2
,
1
; 


20. Metales y Aleaciones
Metalurgia de Polvos
•Homogeneidad- Isotropía
•Fabricaciónde piezas de difícilgeometría
•Piezasde extrema dureza
ProduccióndelPolvo
Compactacióna frío
CompactaciónenCaliente
Sinterización
TratamientoTérmico
ProductoFinal

21. Materiales Cerámicos
Cristalinos: Óxidos Nitruros BaTiO3
Al2O3 Si3N4
SiO2
MgO
Vidrios: Silicatos
Borosilicatos
•Altaestabilidaden temperatura
•Altaestabilidadquímica
•Fragilidad
•Baja conformabilidad Mecánica

22. Materiales Cerámicos
Propiedades Ópticas
Transparencia
Translucidez
Opacidad
Polarización
Actividad Óptica
Birrefringencia
Guías de Onda
Computadores Ópticos
Mica
Calcita
Fluorita

23. Materiales Cerámicos
Moldeo por Soplado
Cuidadosocontrol de la viscosidad
Altoconsumo de Energía
Proceso rápido

24. Materiales Cerámicos
Colado en Barbotina
Bajo consumo de energía
Propiedades mecánicaspobres
Procesos lentos

25. Materiales Cerámicos
•Comportamientomuydiferenteen compresióny tracción
•Contactofundamentalmenteelástico:
•(E / H) muygrande

26. Materiales Poliméricos
•POLÍMERO : sustancia compuesta de macromoléculas, cuya estructura es
esencialmente compuesta de unidades repetitivas múltiples derivadas de
moléculas con masa molar relativamente baja
•MONÓMERO : sustancia compuesta de moléculas que sufren reacción de
polimerización, constituyéndose así en las unidades estructurales de un polímero
•HOMOPOLÍMERO: polímero derivado de una espécie de monómero únicamente
•COPOLÍMERO: polímero derivado de dos o más especies de monómeros

27. Materiales Poliméricos
PVC
Opaco, Rígido
PETcristalino
AltaDensidad, Resistencia

28. Algunos Polímeros de Uso Común
Metacrilato de metila
(2-metil-propenoato de
metila
Estireno
(vinilbenzeno)
Etileno
(eteno)
Propileno
(propeno)
Cloruro de vinila
(cloro-eteno)
CH2 CH2
CH2 CH
CH3
CH
CH2
C
CH2
CH3
C
O
O
CH3
CH2 CH
Cl

29. Algunos Polímeros de Uso Común
Fenol
(hidroxibenzeno)
Formaldeído
(metanal)
1,6-hexametileno-diamina
(1,6-diaminohexano)
Ácido adípico
(ác. 1,6-hexanodióico)
Etileno glicol
(1,2-dihidroxietano)
Ácido tereftálico
(ác. 1,4-benzenodicarboxílico)
OH
CH2
HOCH2
COH
HO
HOC
O
O
NH2
H2N
O
C
HO OH
C
O
O
C
H H
OH

30. Algunos Polímeros de Uso Común
Número de C en la
cadena
Estado y
Propiedades del
Material
Uso, de acuerdo
con longitud de la
cadena
1-4 Gas simple Gas para cocinar
5-9 Líquido simple Gasolina
9-16 Líquido de
viscosidad media
Kerosene
16-25 Líquido de
viscosidad alta
Aceite y Grasa
25-50 Sólido simple Cera de parafina,
velas
1000-3000 Sólido plástico Envase de
polietileno

31. Materiales Poliméricos
Extrusión (Termoplásticos)
•Excelentespropiedades mecánicas: puede sustituir metalesen aplicaciones de
transmisiónde potencia
•Altaexigenciaa las herramientas en la extrusora

32. Familias de Polímeros
Termoplásticos
•Reciclables
•Parcialmente cristalinos o totalmente amorfos
•Lineales o ramificados
Termofijos - Termorrígidos
•Son conformables plásticamente solamente en una estapa
intermedia del proceso de fabricación. El producto final es duro y
no se ablanda con el aumento de la temperatura.
•Insolubles
•Más resistentes al calor que los termoplásticos
•Completamente amorfos
•Poseen una estructura tridimensional, reticulada, con enlaces
cruzados.

33. Temperaturas de Transición
Tf
Tg
Estado Ordenado
Estado vítreo
Estado Ordenado
Volumen libre aumenta
Líquido viscoso
Estado Vítreo
Estado de Caucho
Líquido Viscoso
No existen polímeros 100% cristalinos
Si los hubiera, no tendrían Tg

34. Temperaturas de Transición
Si Tuso < Tg  polímero rígido
Si Tuso > Tg  el polímero pasa al estado “de caucho”
Si Tuso >> Tg  la viscosidad del polímero disminuye
progresivamente hasta la temperatura de
degradación
Para los plásticos: Tg > Tamb
Para los elastómeros: Tg < Tamb

35. Temperaturas de Transición
Polímero Tg Tm
PEAD -110 137
PEBD -90 110
PVC 105 212
PTFE -90 327
PP -20 175
PS 100
Ny 6,6 57 265
PET 73 265
PC 150

36. Transiciones Térmicas y Propiedades
Termoplástico Termofijo
Lineal
Semi-
Cristalino
Tg, Tf
Lineal o
Ramificado
Amorfo
Tg
Enlaces Cruzados
Amorfo
Tg
Tg < Tamb
Producto
blando
Tg > Tamb
Producto
rígido
Tg < Tamb
Elastómero
(cristaliza bajo tensión)
Tg > Tamb
Termorígido

37. Caracterización Estructural
4000-2500cm-1
Altas Frecuencias
de Estiramiento.
Enlaces C-H
2500-2000cm-1
Enlaces triples
2000-1500cm-1
Absorción de
C=O y C=C
1500-400cm-1. “Región dactilar”.
Única para cada Compuesto:
>CH2, -CH3, -OH, CH, >C=O, ≡CH,
−>C-C<−

38. Materiales Compuestos
+
Fase Matriz
Dúctil
Tenaz
Fase de Refuerzo
Fibras
Láminas
Partículas
Para propósitos estructurales
Combinaciónde propiedades:
Resistencia  Tenacidad 
Resistencia  Densidad 

39. Materiales Compuestos
Artículos Deportivos
Aeronáutica/Astronáutica
Construcción Civil
IndustriaMilitar
En países industrializados se
produce aproximadamente 8
veces más volumen de
estructuras en concreto que de
metal
CONCRETO
MADERA
ASFALTO

40. Materiales Compuestos
Fibras poliméricas – Kevlar Boeing 767

41. Materiales Compuestos
Microestructura
Fibra de Carbono en
matriz de Carbono
Carbonitruros de Cr en
matriz Metálica

42. Biomateriales
Baja reactividad
Biocompatibilidad
Bioactividad
Aleaciones de Ti
Aleaciones de Co
Aceros Inoxidables
Fe-Cr-Ni
Fe-Cr-Mn-N
Polímeros de alta densidad
UHMW-PE / PP
Cerámicos Hidroxiapatita

43. Propiedades Térmicas

44. Propiedades Térmicas

45. Propiedades Mecánicas
t
t t
x x x
t
F
Elástico Viscoso Viscoelástico
Elasto-plástico

46. Propiedades Mecánicas
A- polímero rígido
quebradizo
B- polímero rígido
plástico
C- polímero
elastomérico

47. Propiedades Mecánicas

48. Propiedades Eléctricas
Teoría de bandas
Niveles discretos de Energía, distribuidos formando bandas
Banda de Valencia – Banda de Conducción

49. Propiedades Eléctricas
Probabilidad de ocupación de niveles energéticos
Distribución de Fermi-Dirac f(E)
La conductividad aumenta con la temperatura
f(E>Ef) > 0 cuando T aumenta

50. Propiedades Ópticas

51. Propiedades Ópticas
Mecanismos
de
Polarización
De la luz en
sólidos

52. Propiedades Magnéticas
Superconductores
Superconductor Conductor

53. Propiedades Magnéticas
Diamagnetismo: un campo
magnético externo no genera
una nueva orientación de los
dipolos en el interior del
material. El campo “no entra”
Paramagnetismo: Los
electrones no apareados
forman dipolos sólo cuando un
campo magnético MUY
FUERTE es aplicado
Ferromagnetismo: los dipolos
se alinean fácilmente cuando
se aplica un campo magnético
externo. Fe, Ni, Co