Ingeniería de Materiales

1. Ingeniería de Materiales • Es la aplicación de principios de ciencia de materiales en el diseño de objetos o en el procesamiento de materiales. • Trata con los materiales y sus propiedades.

2. Ingeniería de Materiales • Los materiales son muy importantes en el desarrollo de la civilización humana. Desde la Prehistoria los materiales están asociados a los principales materiales en uso: • Edad de Piedra, Edad de Bronce, Edad del Hierro, etc • Con el tiempo los seres humanos descubrieron nuevos materiales y técnicas para producir materiales conocidos, con el fin de satisfacer sus necesidades. A partir de esto nace la Ingeniería de Materiales. • Se podría decir que el Hombre ha aplicado la Ingeniería de Materiales a través de toda su Historia, usando y transformando materiales.

3. Ingeniería de Materiales Sin embargo, a lo largo de la mayor parte de la historia, la Ingeniería de Materiales se usó sin un cabal conocimiento de los mismos. Sólo desde hace unos 200 años, nace como disciplina científica, lo que llamamos la Ciencia de los Materiales. Si bien la Ciencia y la Ingeniería de los Materiales están interrelacionadas, conceptualmente no son lo mismo… Pregunta: ¿Cuál cree ud. que sería una diferencia entre Ciencia e Ingeniería de Materiales?

4. Ingeniería de Materiales La diferencia radica en que la Ciencia de Materiales se ocupa del estudio de la relaciónentre la estructura y las propiedades de los materiales. Por otro lado, la Ingeniería de Materiales se fundamenta en la relación Estructura-Propiedad y diseña la estructura de un material para conseguir un conjunto de propiedades.

5. Ingeniería de Materiales Problema que presenta en general la Ingeniería de Materiales: Realizar la elección del material más idóneo para un componente, entre una gama de miles de materiales disponibles hoy en día. Ahí entra en juego el disponer de las características del material, de acuerdo a la necesidad del componente. Pregunta ejemplo: ¿Qué características cree ud. que debiera tener el material del fuselaje externo del transbordador espacial para su reingreso a la atmósfera terrestre?

6. Ingeniería de Materiales Propiedades de los materiales. Todos los materiales de ingeniería se caracterizan por sus propiedades Su uso está determinado por las propiedades que presenten bajo condiciones de uso

7. Ingeniería de Materiales Estas propiedades están agrupadas en 6 grandes categorías: Propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas. La estructura de los materiales determina estas propiedades relevantes, estructura que se logra con procesos de transformación y determina su desempeño en uso.

8. Ingeniería de Materiales Estos conceptos están interrelacionados y componen la base de la ciencia de materiales Estructura Desempeño Proceso Propiedades

9. Ingeniería de Materiales Por qué estudiar las propiedades de los materiales? Porque existen miles de materiales y es casi imposible seleccionar un material para una tarea específica sin conocer sus propiedades. Existen varios criterios sobre los que se basa la elección final del material. Es muy raro que un material posea una óptima combinación de propiedades.

10. Clasificación de los Materiales. Los materiales pueden tener distintas clasificaciones, siendo la más conocida la que tiene relación con su estructura y enlaces atómicos. De acuerdo a esto último, se clasifican en: Metales Cerámicos Polímeros

11. Ingeniería de Materiales Metales. Normalmente son combinación de elementos metálicos Se caracteriza por tener un gran número de electrones deslocalizados, es decir, que no pertenecen a ningún átomo. • Son buenos conductores del calor y la electricidad y son opacos a la luz visible. • Son resistentes y a la vez deformables, lo que los hace buenos materiales estructurales.

12. Ingeniería de Materiales Cerámicos. Son una combinación de elementos metálicos y no metálicos. En gral. Son óxidos, nitruros y carburos. A esta categoría pertenecen por ejemplo el vidrio, la arcilla y el cemento. • Son materiales aislantes térmicos y eléctricos, y tienen una mejor performance a altas temperaturas que los metales y los polímeros. (Ej. Ladrillos refractarios) • Desde el punto de vista estructural, son duros y frágiles.

13. Ingeniería de Materiales Polímeros. Se les relaciona generalmente con los conocidos materiales plásticos, aunque estos últimos abarcan una parte de la gama de polímeros. Existen polímeros naturales, como la madera y el caucho. Estructuralmente, están formados por grandes cadenas orgánicas, entrelazadas entre sí. • Al ser cadenas orgánicas(basadas en C e H), en general tienen baja densidad y gran flexibilidad, aunque la adición de ciertos elementos no metálicos en sus cadenas, les pueden conferir excelentes propiedades mecánicas.

14. Ingeniería de Materiales Otros materiales. Existen otras clasificaciones de materiales, como por materiales compuestos, que no son más que combinaciones de los materiales anteriormente mencionados. Un ejemplo de eso son los cascos de algunas embarcaciones menores, hechos de fibra de vidrio mezclada con resinas poliméricas. • Otro material importante, por sus características eléctricas especiales, son los semiconductores, que tienen características tanto de conductores eléctricos como de aislantes. Son muy importantes en la industria de la electrónica, ya que son la base de sus circuitos.

15. Ingeniería de Materiales Otros materiales. En los últimos años, la necesidad de hacer componentes cada vez más pequeños y livianos ha dado paso a nuevos desarrollos de materiales, dando paso a la disciplina de la nanotecnología, esto es, materiales a escala de los nanómetros (nm)

16. Ciencia de Materiales • Es la relación entre las propiedades de un objeto y su composición química y estructura atómica. • Si se conocen los átomos y como están estructurados, es posible que las propiedades del material sea conocido cualitativamente y aun cuantitativamente.

17. Ciencia de Materiales • A continuación veremos conceptos básicos de ciencia de Materiales para comprender el comportamiento de los materiales. • Se describirán conceptos desde lo más pequeño (átomo), hasta niveles que son visibles al ojo humano (macroestructura)

18. Estructura • Es la forma en que están ordenados los átomos en un material. • La estructura tiene diferentes escalas: • Nuclear-> Núcleo: neutrones y protones • Atómica->Estructura de electrones • Cristalina->Es el arreglo tridimensional de átomos y moléculas.

19. Átomos • Son considerados la unidad fundamental de la naturaleza. • Constan de un núcleo de protones (carga eléctrica positiva), neutrones (sin carga) y una periferia de electrones (carga negativa). • El número de protones diferencia cada átomo en lo que se denominan los elementos químicos. Oficialmente, existen 104 elementos químicos.

20. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO Cada elemento químico está constituido por átomos. Cada átomo está formado por un núcleo central y 1 o más capas de electrones. Dentro del núcleo residen partículas subatómicas: protones (de carga +) neutrones (partículas del mismo peso, pero sin carga). EII 441-01 Andrea Fredes

21. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO PROTONES NUCLEO NEUTRONES ELECTRONES EII 441-01 Andrea Fredes

22. Los electrones giran alrededor del núcleo en regiones del espacio denominadas órbitas. Los átomos grandes albergan a varias órbitas o capas de electrones. el orbital más externo se llama la capa de valencia, porque determina cuantos enlaces puede formar un átomo EII 441-01 Andrea Fredes

23. En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón. La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón. EII 441-01 Andrea Fredes

24. Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z. NUMERO MASICO E A Z NUMERO ATOMICO SIMBOLO DEL ELEMENTO EII 441-01 Andrea Fredes

25. La suma del número de protones + neutrones Número que es igual al número total de protones en el núcleo del átomo. Es característico de cada elemento químico y representa una propiedad fundamental del átomo: su carga nuclear. NUMERO MASICO E A NUMERO ATOMICO Z EII 441-01 Andrea Fredes

26. PARA EL ELEMENTO QUE CONTIENE 79 p 118n Encuentre Numero atómico =Cantidad de protones en el núcleo = 79 Numero de masa = Suma Protones + Neutrones= 197 EII 441-01 Andrea Fredes Neutrones =Numero de masa – Protones = 197-79=118 Cantidad de electrones= Cantidad de protones= 79 Por esto es átomo es eléctricamente neutro

27. DE ACUERDO A LA INFORMACION ANTERIOR DIGA DE QUE ELEMENTO SE TRATA Los elementos se ubican en orden creciente de su numero atómico en la tabla periódica EII 441-01 Andrea Fredes En la tabla periódica encontramos esta información para cada elemento 79 p 118n

28. EII 441-01 Andrea Fredes

29. 1 2 3 Au = oro 4 5 6 7 • ¿En que periodo está el elemento? Está en el periodo 6 , por tanto tiene 6 electrones en su ultima capa Está en el grupo IB por tanto es un metal de transición EII 441-01 Andrea Fredes El elemento de número atómico = 79 es ¿En que grupo está el elemento?

30. DESARROLLE EL SIGUIENTE EJERCICIO Si 28 Encuentre 14 Numero atómico Numero de masa Cantidad de electrones Neutrones En que grupo y periodo esta el elemento EII 441-01 Andrea Fredes

31. ISOTOPOS Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones. Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico. EII 441-01 Andrea Fredes

32. Todos los átomos de un elemento son idénticos en número atómico pero no en su masa atómica Número atómico es igual al número total de protones en el núcleo del átomo Masa atómica también peso atómico, es el promedio de las masa de los isotopos encontrados naturalmente de un elemento pesado de acuerdo con su abundancia Los isotopos de un elemento son átomos que tienen diferente número de neutrones y por tanto una masa atómica diferente. Veamos un ejemplo Todos los átomos de Carbono tienen 6 protones en el núcleo (Z=6), pero solo: El 98.89% de carbono natural tiene 6 neutrones en el núcleo A=12 Un 1.11% tiene 7 neutrones en el núcleo A= 13. Una cantidad aun menor 0.01% tiene 8 Neutrones A= 14 EII 441-01 Andrea Fredes

33. ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO El número de neutrones puede variar, lo que da lugar a isótopos con el mismo comportamiento químico pero distinta masa. El hidrógeno siempre tiene un protón en su núcleo, cuya carga está equilibrada por un electrón. EII 441-01 Andrea Fredes

34. EII 441-01 Andrea Fredes

35. Isóbaros • Son aquellos átomos que presentan igual número másico y distinto número atómico. • Ej: 6C14 y 7N14 EII 441-01 Andrea Fredes

36. Isótonos • Son átomos que presentan distinto número másico y distinto número atómico, pero tienen igual número de neutrones. • Ej: 5B11 y 6C12 EII 441-01 Andrea Fredes

37. Números cuánticos. • Número cuántico principal (n): Designa el nivel de energía. Puede asumir cualquier valor positivo: 1,2...hasta el infinito. Cada valor de n determina un nivel o capa en el átomo. El primer nivel es el de menor energía y los siguientes, cada vez más alejados del núcleo, tienen energías mayores. EII 441-01 Andrea Fredes

38. EII 441-01 Andrea Fredes

39. Números cuánticos. • Número cuántico secundario o azimutal (l): Designa la forma del orbital. Los valores permitidos de l son: 0, 1, 2, 3...(n-1) denotados por los símbolos s, p, d, f ... Respectivamente. Los valores de l correspondientes a un mismo valor de n se llaman subniveles. EII 441-01 Andrea Fredes

40. EII 441-01 Andrea Fredes

41. Números cuánticos • Número cuántico magnético (m): Define las orientaciones del orbital en el espacio. Comprende los valores entre +l y-l es decir puede tener los valores: -l, -l+1, ...0,+1,...,l –1,l. Si l= 0 (orbital s) m= 0 Si l= 1 (orbital p) m= -1, 0, +1 Si l=2 (orbital d) m= -2, -1,0, +1, +2. EII 441-01 Andrea Fredes

42. EII 441-01 Andrea Fredes

43. Números Cuánticos • Número cuántico de spin (s): Determina la orientación del giro del electrón frente a un cuerpo magnético. Puede tomar sólo los valores +1/2 ( ) ó –1/2 ( ). EII 441-01 Andrea Fredes

44. Giro del electrón EII 441-01 Andrea Fredes

45. EII 441-01 Andrea Fredes

46. Configuración electrónica • Los electrones se distribuyen alrededor del núcleo en los diferentes niveles y orbitales. Para saber como se ordenan se deben tener en cuenta las siguientes reglas: -Principio de exclusión de Pauli. -Regla de Hund. EII 441-01 Andrea Fredes

47. Principio de exclusión de Pauli: • Dos electrones de un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales. Así en cada orbital sólo pueden haber dos electrones, uno con espín +1/2 y el otro –1/2. Los orbitales se llenan según sus energías relativas, empezando por los de menor energía. EII 441-01 Andrea Fredes

48. Regla de Hund • Dos orbitales con los mismos números cuánticos n y l tienen la misma energía. Para llenarlos, primero se coloca un electrón en cada orbital; a continuación se llenan con el segundo electrón. EII 441-01 Andrea Fredes

49. EII 441-01 Andrea Fredes

50. EII 441-01 Andrea Fredes