Libro de Diapositivas Ciencia de Los Materiales

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


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


Edad de Piedra:Materiales:Herramientas de piedraMadera HuesosCuernasCestos Cuerdas Cuero

Edad de los Metales:

Materiales:CobreBronceHierroAceroOroCerámicaPlata



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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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


¿Por qué Estudiar Ciencia de los Materiales?


¿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


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.



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


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


Polimorfismo –

Image courtesy: Wikipedia

Isotropía y Anisotropía


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?


¿Qué Factores Determinan la Selección de Materiales?


¿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?


Tubería de cobre

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Factores que Afectan la Selección de los Materiales


• Técnico

• Tiempo

• Económico

• Ambiental

• Social

Factor Técnico


• 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


• 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


• 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


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



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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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


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.


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Análisis de Casos


Evolución de los Parabrisas


¿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


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


Vidrios Polarizados:controlan la temperatura delvehículo, sirven además paradecoración y seguridad.

Vidrio Curvo (1934): mejoralos problemas acarreados deresistencia al aire.


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)


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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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


• 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


• 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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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


Clasificación

Metales

Polímeros

Cerámicos

Compuestos

Metales


Metales ‐ materiales queposeen átomos quecomparten electronesdeslocalizados.

¿Qué es?Esta categoría incluye las aleaciones

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Metales


Propiedades de los Metales


• 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


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


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


Tipos de Polímeros


• 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


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


• 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


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


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



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



Laminares – materialconformado por capas demateriales diferentes alternadas.

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Categorías de Materiales con Propiedades Especiales


• 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


Clasifique los materiales de suscompañeros en alguna de lascategorias descritas en la clase hoy.


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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ESTRUCTURA Y ENLACE ATÓMICOS

Relación Estructura Atómica y Propiedades de los Materiales


Caracterización

Propiedades

Desempeño

Procesamiento

Estructura Átomos

OrientaciónEnlaces

Niveles de Estructura de Materiales


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?


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!


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


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.


Masa Atómica y Peso Molecular


Calcular el número de átomos en 100 g de: Ag y NaCl.

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Radio Atómico


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


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


• 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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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


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


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


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


• 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


Evaporación de agua

Tubería PVC

Moléculas de Agua Moléculas de Polímeros

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Tipos Enlaces en los Materiales


Compuestos cerámicos ysemiconductores, tienenmezclas de enlacescovalentes y iónicos.

Tareas


• 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


• 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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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


Macroestructura

Microestructura


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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Niveles de Orden de la Materia


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


Niveles de Orden en Materiales


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


Estructura del vidrio (SiO2) en sólido amorfo

Estructura del cuarzo (SiO2) en red cristalina



Estructura Cristalina:tamaño, forma yordenamiento de losátomos en redes cristalinastridimensionales.


Celdas Unitarias


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


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


• 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


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


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


Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC)

a04

3

Parámetros de red:

Longitud de aristas: a = b = c = a0

Ángulos:

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6

Ej: Cu, Ag


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)


Paquete Cerrado Hexagonal (HCP)

a0 2 r c0 3.266 rc0

a0


Fuente: http://www.atpm.com/8.08/periodic‐table.shtml

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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.


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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


Celdas Unitarias



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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Imagen: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic‐scale‐structure/single2.php

Posiciones Atómicas


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


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]‐


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]


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


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)


Planos paralelos equidistantes tienen igual índice de Miller

Espacio Interplanar (d) – ladistancia entre planosrepetidos en una red cristalina.


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)‐


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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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.

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Estructura Cristalina y Propiedades


• Densidad• Módulo de elasticidad

• Dilatación térmica

• Punto de fusión

• Conductividad térmica

• Calor específico• Resistividad eléctrica

• Propiedades magnéticas

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Estimación de Densidad


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


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


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?

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¿Por qué la densidad teórica difiere de la experimental?

Estructura Cristalina de Mosaico


Frontera de grano – áreas deun material que separan lasdistintas regiones cristalitas.

Cristalitas – regiones de unmaterial en la que losátomos están acomodadosen un patrón regular.


Defectos

Vacantes

Susticionales

Intersticiales

Dislocaciones

Borde

Tornillo

Mixtas

Defecto Cristalino - cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino.

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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.


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.


Dislocaciones de Borde – causadas por la adición de unplano parcial dentro de una estructura de red cristalinaexistente.

Línea de Dislocación

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Dislocaciones de Tornillo – sucede cuando la redcristalina es cortada y cambiada por una fila de espacioatómico.

Técnicas de Caracterización


Difracción de Rayos X


• 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


• 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


• 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


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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Microscopía


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


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


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


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


Microscopio SEM Microscopio TEM

Microscopia Electrónica


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


Imágenes tomadas con microscopia: Ag soportada en Al2O3

Ref: A. Aristizabal

Microscopia Electrónica SEM


Micrografías de SEM: Ag soportada en Al2O3

Ref: A. Aristizabal

Microscopia Electrónica TEM


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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Microscopia Electrónica TEM


Ref:


Ref:

Referencias


• 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>.

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Ejemplo


• Determinar los índices para las direcciones A, B, C quese muestran en la figura:

Ejemplo


• 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


• Determinar los índices paralas direcciones A, B, C que semuestran en la figura:

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23

Ejemplo 2


• Determinar los índices de Miller para los planos quese muestran en la figura:

Ejemplo 2



Respuesta:

(2 1 1)

Respuesta:

(0 1 1)

Ejemplo


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24


Ejemplo 3


z

x

y3

2

Ejemplo


Ejercicio


• 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.

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Ejercicio

Calcular los parámetros de red cristalina para el átomode plomo (Pb).

Ejercicio


Densidad real 7140 kg/m3

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Departamento de Ingeniería IndustrialPontificia Universidad Javeriana

Adriana Aristizábal Castrillón1

Difusión y Tratamientos Térmicos

Difusión


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


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.

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Mecanismos de Difusión en Sólidos


Difusión por Vacancias

Difusión Intersticial

Mecanismos de Difusión


Difusión por Vacantes: un átomo abandona su sitioen la red para llenar una vacancia cercana, creandouna nueva vacancia.

Mecanismos de Difusión


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.

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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


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


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.

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Templado


• Aumentar la dureza y la resistencia del acero• Rapidez de enfriamiento es determinante

Recocido


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


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.

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Carburación


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


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


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)

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1



Adriana Aristizábal

1

Propiedades de los Materiales


Macroestructura

Microestructura


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.


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2

Tipos de Propiedades


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


Masa ‐ cantidad demateria que tienenun cuerpo .

Peso – fuerza queejerce la gravedadsobre un cuerpo .

Volumen


Volumen ‐ espacio queocupa un cuerpo.

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3

Densidad


• Es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de masa.


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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


9

Conductividad Eléctrica (e)

Conductividad Eléctrica ‐ medidade la capacidad deun material para dejar pasar (odejar circular) librementela corriente eléctrica.

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Propiedades Mecánicas

Propiedades Mecánicas ‐ aquellas propiedadesde los sólidos que se manifiestan cuandoaplicamos una fuerza.




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.

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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.




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.




Elasticidad

Flexibilidad

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Ensayos de Materiales ‐ toda prueba cuyo fines determinar las propiedades de un material.


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.


Ensayos Mecánicos ‐ pruebas que determinan laresistencia del material cuando se somete adiferentes esfuerzos.


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

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Tipos de Esfuerzos Mecánicos

Tracción o Tensión Compresión Flexión TorsiónCorte

Ilustraciones: http://clasestecnologia.wikispaces.com/3.+Esfuerzos+mecánicos


Donde:: esfuerzo mecánicoF: fuerzaA: área perpendicular a la fuerza

Ensayos Mecánicos ‐ pruebas determina laresistencia del material cuando se somete adiferentes esfuerzos.


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.


¿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?

?

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• 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)


ProbetasEspécimenMuestra


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


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

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Curva Esfuerzo vs Deformación Ingenieril


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


• 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


Límite Elástico (y): tensión en el punto detransición de la zona elástica.

y

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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.


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?


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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¿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.


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.


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


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


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


Los materiales dúctiles puedenexperimentar deformacionesplásticas sin romperse, contrario alos frágiles.

Curva Esfuerzo‐Deformación para Materiales Frágiles

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• 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?


• 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?


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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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.


SOLUCIÓN


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.


• 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


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


Curveada

De corte

De doble barril

De barril

Compresión homogénea

Compresión inestable

Ensayo de Plegado o Flexión


Ensayo a flexión estática de maderaImage courtesy: http://incafust.org/bloc/madera‐roble‐congreso‐forestal‐espanol/

Ensayo de Plegado


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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Curva de esfuerzo deflexión para el MgO,obtenida a partir delensayo de flexión.

Resistencia a la Flexión = Módulo de Ruptura


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


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)

4

Suposiciones de la correlación: la probeta tiene que ser rectangular y asume una respuesta de esfuerzo – deflexión lineal.

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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


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


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


Escala común de dureza que usa minerales para calibrar su escala.

No es una escala lineal y es cualitativa.

Dureza Brinell (HB)


• 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


• 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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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


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


• 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


Profundidad de la huella: e = h ‐ h0 HRD = 100 – 500 e


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


¿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


Probador de Microdureza Vickers

Relación entre Escalas de Dureza


• 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


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


• 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


• 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


• 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


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



Ref: Askeland. The Science and Engineering of Materials. 6ª Ed. Cengage Learning. 2010

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Ensayo de Fluencia


TiempoTiempo

Aumenta Aumenta T

Ensayo de Fluencia


Donde:L.M: Parámetro Larson‐MillerT: temperatura (K)t: tiempo de ruptura (h)A y B: constantes que dependen del material


Diseñe los eslabones de una cadena que estarásometida a una tensión constante de 5000 lbfdurante 5 años a 600ºC.

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¿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


Ciclos de esfuerzo en ensayo de fatiga

Se cuenta el número de ciclos hasta que la muestra falla.


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


Ensayo de Fatiga


• 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


(Vida a Fatiga)

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Ejercicio


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


Estándares ASTM


• 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


Tarea

• Leer el documento de lasnormas ASTM.

• Llevar a cabo el Taller de lasnormas ASTM.

• Los documentos están enBlackboard.

Tarea


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


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


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


Imagen: Internet Electron Microscopy website, UMIST

Fractura Dúctil de Acero (‐20°C)

Ruptura Frágiles


Imagen: Internet Electron Microscopy website, UMIST

Fractura Frágil de Acero (‐190°C)

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Propiedades de la Materia


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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Metales y Aleaciones



Metales


Metales ‐ materiales queposeen átomos quecomparten electronesdeslocalizados.

¿Qué es?Esta categoría incluye las

aleaciones

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La mayoría de los metales elementales (90%) cristalizan al solidificar en 3 estructuras cristalinas

Obtención de Metales


• 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


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.

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Aleaciones


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


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


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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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


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.


Balance de Masa


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


• 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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Sistema Eutéctico Binario

Líneas


Diagrama de Fase Eutéctico Binario de un Sistema de Pb‐Sn

Líneas de Solvus

Líneas de Sólidus

Línea de Líquidus



• 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?

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Clasificación de Metales


Acero al Carbono


• 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


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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La solubilidad del C en hierro BCC es baja (máx 0.022%)

‐Ferrita (BCC)

Acero al Carbono


‐Ferrita (BCC)

• Solubilidad delC en hierro BCCen este caso es(0.09%)

Diagrama de Fase de Acero


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


‐Austenita (FCC)

• Existe solo entre727°C y 1493°C.

• Solubilidad de C(hasta 2.08%).

Productos en Desequilibrio del Acero al Carbono


• El enfriamiento del laaustenita de forma rápidagenera productos noequilibrados de interéscomercial:

• Martensita• Bainita• Esferoidita• Perlita Gruesa• Perlita Fina

• Estos productos no estánen este diagrama.


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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Aceros Aleados


• 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


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


• 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


• 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


• 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.


• 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


Incrementa resistencia del metalDisminuye resistencia a la corrosión y ductilidad

fase BCC

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Bronce


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


• 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


• 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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Aleaciones de Aluminio


• 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?


• 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


• 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


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


Forjado – procesomecánico para darlenueva forma al metal.

• Puede ser un procesomanual usandomartillazos o presión.

F

F

Metal Virgen

Laminado


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


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


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


• 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


• 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


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


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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Materiales Cerámicos y de Carbono

Materiales Cerámicos


• 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


• 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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Aplicaciones de los Cerámicos


•Abrasivos•Vidrios•Cementos

•Refractarios•Productos estructurales de arcilla•Cerámicos blancos

•Cerámicos avanzados

Abrasivos


Pulidora y suspensiones de pulido

Reciclaje de Materiales Cerámicos


• 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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Actividad de Clase


• 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


• 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


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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Grafito


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


• 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


• 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

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Fibras de Carbono


• 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


Algunas aplicaciones:

• Aeronaves militares

• Equipos deportivos

• Baterías

• Carbones activados

• Carrocería de automóviles

Fullerenos (Buckyballs)


• 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.

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Nanotubos de Carbono


• 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


• Leer Capitulo 6 del libro guia de Newell.


Bibliografía


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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Ceramic Nanoparticles


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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


Estructura

Poliestireno (PS)

Etileno (Monómero)

Polietileno (PE)

USOS (PE): Bolsas plásticas, Contenedores, Tuberías, Envases, etc..

USOS (PS): Carcasas, Juguetes, Embalajes, Aislante, etc..

n


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Polímeros


Polímeros – cadena de moléculasenlazadas covalentemente conunidades monómeras pequeñasrepetidas de extremo a extremo.

Los polímeros pueden ser naturales o sintéticos.

Átomos Comunes en Polímeros


Propiedades de los Polímeros


• 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

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Limitaciones de los Polímeros


• 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


• 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


• 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.

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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.

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• Sinergia.

• Difieren de las aleaciones.

Compuestos – material formadoal mezclar dos o más materialesen distintas fases causando unnuevo material con diferentespropiedades de los padres.



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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Clasificación




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


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

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ConcretoConcreto

Asfalto

¿Donde encuentro las propiedades de los materiales

compuestos?


Regla de Mezclas


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.


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Ejercicio


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


Estimate de density of the composite.

Respuesta: 11,5 g/cm3



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


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.

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Compuestos Reforzados con Fibra


Selección de Fibras


Selección de Matriz


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

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Factores que Afectan las Propiedades


• 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).


Factores que Afectan las Propiedades de Compuestos Reforzados con Fibra


Impacto de la Cantidad y Orientación de la Fibra

80%Desempeño

35% ≤ ≤50%

Factores que Afectan las Propiedades de Compuestos Reforzados con Fibra


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

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Regla de Mezcla


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)



Regla de Mezcla para E y


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.


Regla de Mezcla para E y


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.


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Ejercicio


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




Laminares – materialconformado por capas demateriales diferentes alternadas.

Compuestos Laminares


• Muy Anisotrópicos.

• Bajo costo y bajo peso.

• Mejora resistencia a la corrosión.

• Mayor resistencia.

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Regla de Mezcla


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)



Regla de Mezcla


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.


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c, P

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Concurso


Fabricar ustedes un material compuestominimizando densidad. Traerlo a clase con untrabajo escrito (1 pág máx) especificado enblackboard.

Tarea


• Leer el artículo: “Materials andTechnology in Sports”.

• Leer Capítulo 7 del libro Newell.

• Taller de Materiales Compuestos.


Bibliografía


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.

Documents

Libro de Diapositivas Ciencia de Los Materiales