MATERIALES PARA INGENIERÍA

1. MATERIALES PARA INGENIERÍA Profesor: Dr. Ing. Jorge Acevedo

2. Discusión • El conocimiento de las características de los materiales o de la ciencia de los materiales ¿Qué importancia tiene en la formación de un Ingeniero Mecánico? • ¿Qué diferencia existe entre un ingeniero mecánico y un ingeniero metalúrgico? • ¿Esta asignatura está más cerca de los metalúrgicos o de los mecánicos?

3. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales • Introducción a los materiales • Clasificación de los materiales • Historia de los metales • Estructura atómica y enlace • Estructuras y geometrías cristalinas

4. Ciencia e Ingeniería de los Materiales ESTRUCTURA INTERNA CIENCIA DE MATERIALES PROPIEDADES PROCESADO DE MATERIALES CONOCIMIENTO BÁSICOS INGENIERÍA DE MATERIALES DISEÑO DE PRODUCTOS APLICACIÓN CIENCIA DE MATERIALES CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES INGENIERÍA DE MATERIALES

5. Introducción a los materiales

6. Introducción La disponibilidad, sus propiedades y características físicas y químicas, sus usos y aplicaciones son radicalmente diferentes, pero todos forman parte del mundo de los materiales

7. 2. Clasificación de los materiales • Metales • Cerámicos • Polímeros y Elastómeros • Semi-conductores • Materiales Compuestos ¿Qué los diferencia? Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

8. Tipos de enlaces atómicos Enlaces iónicos: en este tipo de enlaces actúan fuerzas intermoleculares relativamente grandes. Es un enlace no direccional y relativamente fuerte • Los enlaces atómicos son aquellos que desarrollan grandes fuerzas interatómicas: Enlaces metálicos: Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por el intercambio de eléctronesdeslocalizados que conducen a la formación de un fuerte enlace no direccional entre átomos Enlaces covalente: Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por el intercambio de electrones entre átomos dando lugar a un enlace direccional Enlaces iónicos Enlaces atómicos primarios Enlaces covalentes Enlaces metálicos Enlaces de dipolo permanente Enlaces atómicos secundarios y moleculares Enlaces de dipolo oscilante

9. Tipos de enlaces atómicos

10. 2. Clasificación de los materiales • Metales • Cerámicos • Polímeros y Elastómeros • Semi-conductores • Materiales Compuestos ¿Qué los diferencia? Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

11. Metales Son sustancias inorgánicas Formados por 1 o más elementos metálicos Puede contener elementos no metálicos Hierro, Cobre, Aluminio, Níquel y Titanio Carbono Nitrógeno oxígeno Características: Su estructura cristalina es ordenada Son buenos conductores Alta resistencia mecánica Metales y aleaciones ferrosas Metales y aleaciones NO ferrosas

12. Metales Metales y aleaciones NO ferrosas Metales y aleaciones ferrosas % hierro despreciable Aluminio Cobre Cinc Titanio Níquel Aceros y hierros fundidos

13. Aceros y hierros fundidos • El Acero es una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,03% hasta menos de un 2%). Según su composición química y su tratamiento térmico es la aplicación que pueden tener • Hierro fundido es sinónimo de fundición gris: Las fundiciones grises son aleaciones hipoeutécticas que tienen una composición que varía entre 93 y 93,8 % de hierro, 2,5 y 4,1 % de C y 1 a 3% de Si • Son de fácil mecanizado • Punto de fusión entre los 1200 y 1300°C

14. Aceros y hierros fundidos

15. Metales y aleaciones ferrosasEjemplo: Aceros rápidos y hierro fundido

16. CLASIFICACIÓN DE LOS METALES NO FERROSOS PESADOS LIGEROS ULTRA-LIGEROS ESTAÑO COBRE CINC PLOMO ALUMINIO TITANIO MAGNESIO BERILIO Tarea 1: Analice las propiedades mecánicas y físicas de cada uno de estos metales no ferrosos y comente: ¿Porqué se diferencian en pesados, ligeros y ultra-ligeros? Sugiero mirar: http://www.matweb.com/search/MaterialGroupSearch.aspx

17. METALES NO FERROSOS PESADOS • Por ejemplo: El COBRE tiene las siguientes propiedades: ROJIZO BLANDO DÚCTIL MALEABLE TENAZ CONDUCTOR TÉRMICO ALTA RESISTENCIA A LA CORROSIÓN EXCELENTE CONDUCTOS DE LA ELECTRICIDAD

19. Metales y aleaciones NO ferrosas Ti-Ni Rollo de soldadura

20. 2. Clasificación de los materiales • Metales • Cerámicos • Polímeros y Elastómeros • Semi-conductores • Materiales Compuestos ¿Qué los diferencia? Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

21. Cerámicos Son materiales inorgánicas Formado por elementos metálicos y no metálicos Su estructura puede ser cristalina o amorfa o mezcla Alta dureza Resisten altas temperaturas Son frágiles Resistentes a la humedad Aislante del calor Reducida fricción

22. Cerámicos

23. 2. Clasificación de los materiales • Metales • Cerámicos • Polímeros y Elastómeros • Semi-conductores • Materiales Compuestos ¿Qué los diferencia? Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

24. Polímeros macromoléculas Formado por largas cadenas de moléculas orgánicas llamadas monómeros En general son no cristalinos La resistencia es variable Aislantes de la electricidad Algunos son buenos aislantes eléctricos

25. Polímeros • En 1906, el químico Belga-Americano Leo HendrikBaekeland, descubre una resina sintética, llamada baquelita. Asimismo, en este año se desarrollo el rayón. • En la década de los 60 en la búsqueda de un material que sustituyera las bolas de billar por el marfil (escaso). Wesley Hyatt de un modo casual el compuesto de nitrato de celulosa, alcanfor y alcohol, llamado piroxilita, sometido a presión y temperatura, se formaría un nuevo material denominado celulosa.

26. Polímeros • Entre 1920 y 1930 surgen: El Acetato de celulosa, el cloruro de polivinilo (PVC), este último para gafas. • En 1938, surge el PTFE (poli tetrafluoretileno, más conocido como TEFLÓN) • Entre los años 40 y 50 aparecen el caucho sintético y el poliéster

27. Baquelita • Es un material termoestable • Dieléctrico • Resistente al agua, ácidos y calor • Puede ser pulido y mecanizado Trozo de pieza a analizar

28. Rayón • Fabricado a partir de celulosa y nitrato de celulosa • Fibra sintética capaz de sustituir a la lana y al algodón • Se fabrican materiales textiles filtros y también aplicaciones eléctricas

29. Teflón • Anti adherente • Resistente al calor • Inerte

30. 2. Clasificación de los materiales • Metales • Cerámicos • Polímeros y Elastómeros • Semi-conductores • Materiales Compuestos ¿Qué los diferencia? Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

31. Elastómeros • Aquellos polímeros que presentan un comportamiento elástico • Los monómeros para formar el polímero están normalmente compuesto de carbono, hidrógeno, oxígeno o silicio • Se usan principalmente para cierres herméticos, adhesivos y partes flexibles

32. Caucho sintético • Excelentes propiedades de elasticidad y resistencia ante los ácidos y sustancias alcalinas • Aislante de la T y la electricidad • Repelente al agua • Ampliamente utilizado para la fabricación de neumáticos • Artículos impermeables y aislantes

33. Poliéster, PET • Se endurece a la temperatura ordinaria y es muy resistente a la humedad, a los productos químicos. Posee una buena resistencia mecánica • PET: El tereftalato de polietileno, politereftalato de etileno, polietilentereftalato o polietileno tereftalato

34. Clasificación de los polímeros Según el monómero base los polímeros se clasifican en: • Polímeros naturales • Polímeros sintéticos Según su comportamiento al calor: • Termoplásticos • Termoestables Según su síntesis: • Polímeros por condensación • Polímeros por adición Según su composición química: • Polímeros orgánicos • Polímero vinílicos • Orgánicos no vinílicos Tarea 1: Definir brevemente cada una de estas categorías

35. Clasificación de los polímeros Según sus aplicaciones: • Elastómeros • Plásticos • Fibras • Recubrimientos • Adhesivos

36. 2. Clasificación de los materiales • Metales • Cerámicos • Polímeros y Elastómeros • Semi-conductores • Materiales Compuestos ¿Qué los diferencia? Re: Los enlaces atómicos es la base de la clasificación

37. Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc. Semi-conductores • Ejemplo de semi conductores: • Si (Silicio) • Ge (Germanio) • Se (Selenio) • Un semi conductor tiene características intermedias entre un conductor y un aislante • El primer semi conductor que fue creado fue el Ge, se denominó transistor y fue el comienzo de la electrónica moderna. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares En especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores

38. Materiales Compuestos • Materiales compuestos son aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales • Vigas de hormigón con fierro

39. Materiales Compuestos Tarea 1: • ¿Qué es un material compuesto? • ¿Por qué existen? • ¿Cuáles son sus aplicaciones? • ¿Qué propiedades mecánicas tienen? • COMENZAR EN LA PRÓXIMA TRANSPARENCIA

40. 3.Historia de los materiales

41. Edad de Piedra Edad de Bronce Edad de Hierro Edad contemporanea 0 500 1000 9000 5000 3000 1500 800 1300 1800 2000 1000 500 100 7000 2000 1500 Fibras Ladrillos de barro Alfarería Rueda de alfarerero Pictografías Escritura Seda Vidrio colado Cerámicas hechas a mano Vidrio soplado Papel Porcelana China Johannes Gutenberg, imprenta Leonardo da Vinci Los plásticos sintéticosaleaciones-Al, vidrio plano, seda Artificial, superaleaciones, materiales compuestos, materiales electrónicos, cerámica de alta tecnología AC DC 3.Historia de los materiales

42. Edad de los Metales • Los objetos metálicos más antiguos conformadosartificialmente son unas cuentas de cobre encontradas en el norte de Irak; octavo y noveno milenio a.C. Estas piezas son de cobre natural y fueron conformadas mediante martillo y yunque. • en la región de los Grandes Lagos en Estados Unidos los nativos utilizaron cobre natural alrededor del segundo milenio a.C. El hombre manipuló compuestos metálicos con mucha anterioridad a las fechas mencionadas. • LA EDAD DE COBRE • La maleabilidad del cobre permite una fácil manipulación: • Si se lo somete a la acción del calor, se funde y adquiere la forma del recipiente o molde donde es volcado. Al enfriarse, retiene esa forma y se vuelve tan duro como la piedra. De esta manera, el cobre presentó mayores ventajas que la piedra; una herramienta de cobre puede volverse a afilar y, si se rompe, puede fundirse de nuevo

43. Edad de los Metales LA EDAD DE BRONCE: • Más tarde, el cobre fue fundido con el estaño y el hombre consiguió el bronce. Lo utilizó sobre todo para la fabricación de cuchillos, espadas y puñales. • Por último, al trabajar el hierro, los hombres pudieron desmontar selvas, cazar animales peligrosos, construir embarcaciones, edificar ciudades.

44. Esquema

45. Técnicas empleadas • Martilleo forjado en frío: se puede considerar una técnica propia de la Edad de la Piedra, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.

46. Técnicas empleadas • Recocido: la aplicación moderada de calor que permite el reblandecimiento del metal a fin de facilitar su conformación mediante el martilleo. • Fundición: fue posible cuando el hombre aprendió a confinar el calor para que alcanzara temperaturas cada vez mayores, hasta lograr que el metal fuera "líquido", condición que le impuso o le sugirió la necesidad de darle forma una vez que se enfriara, lo que desembocó en la cuarta y última etapa. • Moldeo: para darle una forma específica al metal ya fundido es preciso depositarlo en algún recipiente adecuado que lo aloje mientras se lleva a cabo el enfriamiento con la consecuente solidificación del metal. Entretanto, cabe la posibilidad de utilizar el martilleo para obtener la forma deseada. • Edad del Cobre precedió a la Edad del Hierro ya que el cobre funde a 1 083 °C mientras que el hierro lo hace a 1 537°C

47. Estado combinado de los metales

48. Elementos en forma natural Más de la mitad de la corteza terrestre está constituida por sólo siete elementos:

49. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales • Introducción a los materiales • Clasificación de los materiales • Historia de los metales • Estructura atómica y enlace • Estructuras y geometrías cristalinas

50. 4.- Estructura atómica y enlace • Átomos: Están constituidos por tres partículas subatómicas • Número de Avogadro (masa atómica) • De la tabla periódica de los elementos químicos. Se tiene: Corrección: Na = 6,023x10E23 átomos del elemento