Lectura recomendada

Apuntes de cátedra: Moodle UNS- cátedras en página web de la UNSRegistrarse: código= Tecmat#15

Desarrollo de los temas enFundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Smith W.F.

•Capítulo 1. Introducción a los Materiales•Capítulo2. Estructura Atómica•Capítulo3. Arreglo Atómico: Sección 3-1 a 3-3•Capítulo4. Irregularidades del arreglo atómico: Sección 4-3 y 4.4•Capítulo 7 Materiales Poliméricos Sección 7-1 7-2 y 7-6 a 7-11Capítulo 7. Materiales Poliméricos. Sección 7 1 ,7 2 y 7 6 a 7 11•Capítulo8. Fase y Diagrama de Fases: Sección 8-1 a 8-6•Capítulo9. Aleaciones en Ingeniería: Sección 9-1 a 9-3•Capítulo 12. Corrosión: Sección 12-1, 12-2 y 12-5, 12-6

Otra BibliografíaIntroducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales -Tomos I y II. Callister W.Ciencia e Ingeniería de los Materiales. AskelandD.R. Ciencia e ngenie ía de los ate iales. skeland . .Fundamentos de Ciencia de Materiales. Guy A.G.Ciencia de Materiales para Ingeniería. KeyserC.A.

División Clásica de MaterialesEstabilidad TérmicaFrágilidadDensidad mediaDifícil de fabricar

CERÁMICOS

i d

METALES Í

Síntesis de NuevosMateriales: Híbridos y Compuestos

METALES POLÍMEROSAlta Resistencia Mecánica.Ductilidad (maleables) Resistente a la corrosiónDuctilidad (maleables)Conductores de electricidadPobre resistencia a la oxidacióny corrosión.

Resistente a la corrosiónPobre resistencia al calor y a la oxidaciónDensidad bajay

Densidad altaj

Fácil de fabricar

Evolución temporal de los materiales estructuralesEvolución temporal de los materiales estructurales

Aceros de alta resistencia:Torre Taipei 101. La torred l d l dde mayor altura del mundo(508 m) está construidacon, al menos, cinco tiposdiferentes de aceros. A

i d l l 62 ólpartir de la planta 62 sólocon aceros de altaresistencia. Sílice: vidrios, piezas de vidrio o

ladrillos refractarias usados a altatemperatura fibras ópticastemperatura, fibras ópticas

Polímeros:En 1950 los primeros tubosplásticos fueron utilizados en ladi t ib ió d t ldistribución de gas naturaldomiciliaria.Plásticos utilizados: PVC, PP, PAy PE.PE f l lí iPE fue el polímero que se impusopor su durabilidad, tenacidad, bajocosto y facilidad de instalación

Qué se estudia de los Materiales?

ESTRUCTURA

Desempeño

Desempeñode una pieza

del material

PROPIEDADESPROCESAMIENTO

Propiedades Básicas de Materiales

P i d d M á i

GeneralesDensidad Mg/m3

Expansión Térmica

o

Propiedades Mecánicas

Densidad , Mg/mCostos Cost/kg Cm, $/kg

Mecánicas

o

Coeff.Expansión ef

orm

ació

n ér

mic

a,

Rigidez: Módulo Elástico, E, GPaResistencia: Fluencia y , MPa Resistencia a la Fractura: resistencia a la t ió MP

Límite Elástico, y

Tens

ión,

Materiales DúctilesExpansión,

Temperatura, T

D Té

xConducción Térmica

tracción ts , MPa

TérmicasExpansión: coef. de expansión , 1/K

Módulo Elástico, E

Deformación,

T

M t i l F á il

T1 To

Q joules/secArea A

A pa s ó coe de e pa s ó , /

Conducción: conductividad térmica k, W/m.KMateriales Frágiles

Resistencia (fractura) Tracción, ts

Tens

ión,

Conductividad Térmica, kjo

de

Cal

or,Q

/A

Módulo Elástico, E

Deformación,

T Térmica, k

(T1 -T0)/x

Fluj

Estructura Macro escala

Puente de acero

Micro estructuraFases~50- 500 µm

Celda Unitaria

Criterios de desempeño

Resistencia

Eficiencia

Micro estructuraGranos cristalinos~0.1- 10 mm Nano estructura

Seguridad

Durabilidad

Costo

0.1 10 mmPrecipitados~3 – 100 nm Estructura Molecular y

AtómicaNivel atómico 1 nmCosto

Estructura escala

Nivel electrónico 0.01-0.001 nm. Resistencia fluencia

FatigaDuctilidad

atómica ~1 – 10 nm

Módulo elástico

Como se unen los átomos Afecta sustancialmente las propiedades finales de los materiales sólidos y por lotanto determina el uso de los mismostanto determina el uso de los mismos.

neutrones

Estructura ATÓMICAConfiguración electrónica

protones

Uniones Químicas Primarias y Secundarias

Estructura atómica influye en la manera que están ligados los átomos en los materiales, lo que permite

electrones

clasificarlos como materiales metálicos, cerámicos y poliméricos, estableciendo algunas conclusiones generales respecto a las propiedades mecánicas y al comportamiento físico de estas tres clases de materiales

La estructura electrónica de los átomosLa estructura electrónica de los átomos

El número atómico: Es la propiedad más importante de un átomo pues controla su configuración electrónica (número de electrones) y por lo tanto sussu configuración electrónica (número de electrones) y por lo tanto sus propiedades químicas

Hidrógeno Carbono

1s1 1s22s22p2

La estructura electrónica desempeña una función predominante en la determinación de lasLa estructura electrónica desempeña una función predominante en la determinación de las propiedades físicas, tales como la conductividad eléctrica, comportamiento magnético, así como las características ópticas, térmicas y elásticas del material

Los elementos de cada columna de la tabla periódica pertenecen a la misma familia o grupo A las filas horizontales se les denomina período.

Tabla periódica de Elementos

pLos elementos a lo largo de un período tienen propiedades que varían progresivamente a lo largo de la tablaLos elementos del mismo grupo o familia tienen propiedades físicas y químicas similares.

Grupos (= configuración electrónica externa)

Períodos (distintos número de capas)

Tamaños relativos de átomos e ionesCada átomo puede ser considerado como una esfera con radio definidoA medida se incrementa el número de capas electrónicas el tamaño crece ( hay excepciones)E í d l ñ di i ( h i )En un período el tamaño disminuye ( hay excepciones)La relación entre los tamaños atómicos es importante en aleaciones metálicas(controla los defectos cristalinos, la estructura de fases y los procesos de difusión y transformación de

fases))

a

Generalmente aumenta

aum

enta

ralm

ente

G

ener

Estructura electrónica y reactividad química

Las propiedades químicas de los elementos dependen principalmente de la reactividad desus electrones más externos.Los átomos tienden a perder, ganar o compartir electrones para adquirir un conjunto de ochoelectrones de valencia. (regla del octeto).Los más estables y menos reactivos son los gases noblesElectronegatividad: Cuantifica la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí EsteElectronegatividad: Cuantifica la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí. Esteconcepto ayuda a comprender el comportamiento de los elementos en las uniones con otros.Los elementos electropositivos son metálicos y ceden electrones en las reacciones químicaspara producir iones positivos o cationes. El número de electrones cedidos es indicado porun número de oxidación positivoLos elementos electronegativos son no metálicos y aceptan electrones en las reaccionesquímicas para producir iones negativos o aniones

No MetalesMetales No Metales

Tienen electrones en niveles externos, tres o menos

Tienen cuatro o más electrones en niveles externos

Forman cationes por pérdida de electrones Forman aniones por ganancia de electrones

Ti b j l t ti id dTienen baja electronegatividad Tienen elevada electronegatividad

Tipos de Enlaces Atómicos y Moleculares

Se forma un enlace primario cuando átomos con orbitales incompletos están en unestado inestable e interaccionan con otros átomos de manera controlada, tal quecomparten o intercambian electrones entre ellos para lograr un estado estable decomparten o intercambian electrones entre ellos para lograr un estado estable delos orbitales incompletos,.

Enlaces primarios o fuertes

IONICO

COVALENTE

METALICO

Enlace Atómico en SólidosEnlace Atómico en SólidosFuerza de enlace y energía

Af t i i l t lFA = Fuerza atracción

r0 separación en equilibrioFuerza neta = 0= FR +FA

Afectan principalmente laspropiedades físicas

Por simplicidad se consideran

A

Por simplicidad se considerandos átomos muy cercanos

FR = Fuerza repulsiva

r separación entre átomos

ER = Energía repulsiónER Energía repulsión

r

E Energía neta dFEr

Temperatura de fusiónDepende de la Energía de Enlace

EA= Energía atracción

EN = EA + EREN = Energía neta

de EnlacedrFE NN Enlace

Enlace metálico

Están presentes en los metales y sus aleacionesEstán presentes en los metales y sus aleacionesLos metales tienen uno, dos o tres electrones devalenciaEl modelo asume que estos electrones no estánEl modelo asume que estos electrones no estánunidos a un átomo en particular en el sólido ytienen libertad de moverse en todo el cuerpo.El núcleo atómico y los demás electrones se losconsideran como parte de iones que poseen unacarga neta positivaEl enlace metálico es no direccional.Los electrones de valencia actúan como pantallaminimizando la fuerza repulsivas electrostáticasque podrían generarse entre los iones.R d í 68 kJ/ l ( i ) 850 372 pmRango de energía: 68 kJ/mol (mercurio) a 850kJ/mol (Tungsteno). (Temperatura de fusiónpara mercurio y tungsteno –39 y 3410°C)

372 pm

186 pm186 pmÁtomos de elementos metálicos enlazados

Enlace iónicoSe forma entre elementos muy electropositivos ( áli ) l l i

Átomo Sodio

Átomo Cloro

(metálicos) y elementos muy electronegativos (no-metálicos)En el proceso de ionización los electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos ( se producen cationes y aniones)

El enlace es denominado no direccionalEl enlace es denominado no direccionalLa magnitud del enlace es igual en todasdirecciones alrededor del iónPara que los materiales sean estables, todos los

Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de atracción electrostática entre

iones positivos se rodean cercanamente coniones negativos (forma tridimensional)Los cerámicos presentan este tipo de unionesEnergía de enlace: entre 600 y 1500 kJ/mol

electrostática entre iones de carga opuesta

Energía de enlace: entre 600 y 1500 kJ/mol.Tienen temperaturas de fusión elevadas,elevada dureza, comportamiento mecánicofrágil, aislantes eléctricos y térmicos.

Estado SólidoOrdenado Cristalino

Enlace CovalenteSe forma entre átomos con pequeña diferencia de electronegatividad y ubicados muy próximosen la tabla periódicaLos átomos unidos por enlace covalente comparten electrones externos.En enlaces sencillos, cada uno de los átomos contribuye con un electrón al enlace.Se pueden formar enlaces múltiples por un átomo consigo mismo o con otros átomosSe pueden formar enlaces múltiples por un átomo consigo mismo o con otros átomosLo forman muchos elementos no-metálicos Ej. O2, F2 , N2

Electrón compartidodel H

Electrón compartido del C

74 pm

del C

Enlace covalente de metano CH37 pm

Átomos enlazados

P i d d l l ti d tilid d (f á il ) d ti id d

Enlace covalente de metano CH4

Presente en materiales sólidos como: Ge, C, Si, Cuarzo y en lasmoléculas de los materiales poliméricos

Átomos enlazados de hidrógeno no

metálico

Propiedades: por lo general tienen poca ductilidad (frágiles) y escasa conductividad térmica y eléctrica (aislantes térmicos y eléctricos). Hay excepciones

• Láminas de carbonos unidos por enlaces covalentesarreglados en forma hexagonal.

Grafito

g g• Enlaces débiles secundarios (de Van der Waals entre

láminas• Caracteríticas: alta resistencia a temperaturas elevadas,

conductividad eléctrica y térmica elevada baja expansiónconductividad eléctrica y térmica elevada, baja expansióntérmica, fácil de conformar

Usos: lubricante seco, electrodos, elementos calefactores,moldes para colada etc

Diamante

Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otro.Es ópticamente transparente, es el material más duro conocido hasta el presente y durable

Fibras, Nanotubos y fullerenosDiámetros: 5 500 nm Longitud: 5 100 m- Diámetros: 5-500 nm. Longitud: 5-100 m

Enlaces MixtosEl enlace químico de átomos puede involucrar más de un tipo de enlace primario y también enlaces secundarios dipolos

O-2

enlaces secundarios dipolosEnlaces primarios mixtos: iónico-covalente, metálico-covalente, metálico-iónico, covalente-metálico

O-2 Si+4O-2Ej. silicatos

O-2

Filosilicatos. Comparten tres oxígenosFilosilicatos. Comparten tres oxígenos y forman hojas. Micas, arcillas. Biotita= K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2

Neosilicatos. Tetraedros Independientes.Unidos por cationes (Fe, Mg, Zr, Ca). Olivino= (Mg, Fe)2SiO4

partículas dede caolinita

T t ili t C t l 4Tectosilicatos. Comparten los 4oxígenos y forman estructuras tridimensionales

ordenadas Cuarzo (SiO2)

desordenadas Feldespato (KAlSi3O8)

Enlaces secundarios o débiles (de Van der Waals)Enlaces secundarios que unen moléculas o grupos de moléculas mediante atraccioneselectrostáticas débiles 1000 veces menores a las de los enlaces primario (energía entre 2 y 40kJ/mol). La fuerza motriz para el enlace secundario es la atracción de dipolos eléctricospresentes en los átomos o moléculas.

Existen dos tipos principales: dipolos oscilantes y dipolos permanenteEn las moléculas o átomos se producen por un distribución de cargaasimétrica. Los dipolos interaccionan entre sí mediante fuerzas electrostáticas. -q+q

d

Di l lé i dEnergía asociada a los enlaces

Dipolo eléctrico qdDipolos oscilantes: 2 a 8 kJ/molDipolos permanentes: 10 a 40 kJ/mol

Materiales que presentan este tipo de unión: plásticos y cerámicosunión: plásticos y cerámicosLáminas de carbonos unidos por enlacescovalentes arreglados en forma hexagonal.Enlaces secundarios (de Van der Waals)

GrafitoEj: PVC (Policloruro de vinilo)

ces secu d os (de V de W s)débiles entre láminasCaracterísticas: alta resistencia a temperaturaselevadas, conductividad eléctrica y térmicaelevada baja expansión térmica fácil deelevada, baja expansión térmica, fácil deconformarUsos: lubricante seco, electrodos, elementoscalefactores, moldes para colada etc