Smith cap. 01 (español) materi

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Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES Profesor: Armando Mejía Giraldo Traducido de: SMITH – HASHEMI, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales – Material Audiovisual (en inglés) del Texto. © 2006 The McGraw-Hill Companies.

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FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E

INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

Profesor: Armando Mejía Giraldo

Traducido de: SMITH – HASHEMI, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales – Material Audiovisual (en inglés) del

Texto. © 2006 The McGraw-Hill Companies.

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Vehículos de Marte

“Spirit” y “Oportunity”, vehículos todo terreno de exploración en Marte se componen de todos los tipos de materiales: metales,

cerámicos, polímeros, semiconductores y compuestos.www.nasa.gov

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¿QUE SON LOS MATERIALES?

• Los materiales pueden ser definidos como las sustancias de las cuales algo está compuesto, hecho o fabricado.

• Obtenemos materiales de la corteza terrestre y de la atmósfera.

Por ejemplo: • El Silicio (Si) y el Hierro (Fe), constituyen respectivamente el

27.7% y el 5.0% del peso de la corteza terrestre.

• El nitrógeno (N) y el Oxígeno (O) constituyen respectivamente el 78.1% y el 20.9% del aire seco por el volumen (% p/p).

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Why the Study of Materials is Important?

• La producción y el tratamiento de materiales constituyen una gran parte de nuestra economía.

• Los ingenieros escogen materiales para el diseño de construcciones.

• Se requieren constantemente nuevos materiales para nuevos usos. Por ejemplo: Las naves espaciales se fabrican con materiales resistentes a altas temperaturas (5.0000°C) deben sostener las condiciones en el espacio (alta velocidad, temperatura baja, fuertes pero ligeras.

• Podría ser necesaria la modificación de las propiedades para algunos usos:Por Ejemplo: el tratamiento térmico para modificar esas propiedades.

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¿Por qué es importante el estudio de los Materiales?

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Ciencia de Materiales e Ingeniería

• La ciencia de materiales trata conocimientos básicos sobre la estructura interna, propiedades y tratamiento de materiales.

• La ingeniería de materiales trata el uso de conocimiento generado por la ciencia de materiales para convertir los materiales en productos.

Resultante Conocimiento

de la estructura y Características

Aplicación delconocimiento

sobre los materiales

Ciencias de materiales Ciencia de Materiales e ingeniería

Materiales de Ingenieria

Conocimientos básicos de materiales

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TIPOS DE MATERIALES

Materiales Metálicos

• Compuestos de uno o varios elementos metálicos.

Ejemplo: Hierro, Cobre, Aluminio.

• El elemento metálico puede combinarse con elementos no metálicos.

Ejemplo: Carburo de silicio, Óxido hierro.

• Compuestos inorgánicos / tienen estructura cristalina.

• Buenos conductores del calor y la electricidad.

Metales y aleaciones

Ferrosos

Ej: Acero,Hierro fundido

No ferrososEj: Aluminio

y Cobre

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Tipos de Materiales

• Materiales poliméricos (Plásticos): moléculas Orgánicas gigantescas / no cristalinas (amorfas).

• Unos son las mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas.

• Pobres conductores de la electricidad y de ahí el uso como aislantes.

• Su dureza y ductilidad varían enormemente.• Densidad baja y temperaturas de descomposición bajas.Ejemplos: Cloruro de polivinilo (PVC) - Poliester• Usos:Aplicaciones, DVD, Telas etc.

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Tipos de Materiales

Materiales Cerámicos• Elementos Metálicos y no metálicos unidos químicamente. • Inorgánicos: pueden ser cristalinos, no cristalinos o la

mezcla de ambos.• Alta dureza, fuerza y resistencia.• Aislantes muy buenos: usados para forrar hornos, para

fundir metales.• También usado en transbordadores espaciales para

aislarlos durante la salida y entrada de nuevo en la atmósfera.

• Otros usos: Abrasivos, materiales de construcción, utensilios, etc. Ejemplo: Porcelana, Cristal, Nitruro de Silicio.

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Típos de Materiales

MATERIALES COMPUESTOS• Mezcla de Materiales: Compuesta de dos o más materiales.

• Consiste en un material de relleno y un material obligatorio.

• Los materiales sólo se vinculan, no disolverán el uno en el otro.

• Principalmente dos tipos:FIBROSO: Fibras en una matriz PARTICULAS: Las partículas en una Matriz de la matriz puede ser metales, cerámicos o polímeros.

Ejemplos: Fibra de vidrio (vidrio reforzado en un poliester) –

Hormigón (barras de acero reforzadas en cemento y arena)

APLICACIONES: alas de Avión y motor, construcción.

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TIPOS DE MATERIALES

Materiales Electrónicos • No mayor por volumen pero muy importante.• El silicio es un material electrónico común.• Sus características eléctricas son cambiadas al

añadir impurezas.

Ejemplo: patatas de silicio, transistores Usos: Ordenadores, Circuitos integrados, Satélites

etc.

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Competencia entre Materiales

• Los materiales compiten el uno con el otro para existir en el nuevo mercado

• Por el período del uso de tiempo de materiales diferentes se cambia dependiendo (según) el costo y el funcionamiento.

• Materiales nuevos, más baratos o mejores sustituyen los viejos materiales cuando hay una brecha en la tecnología

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200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

lb/C

ar

1985 1992 1997

Model Year

Aluminum

Iron

Plastic

Steel

Predicciones y uso de materiales en automóviles E.E.U.U.

After J.G. Simon, Adv. Mat. & Proc., 133:63(1988) and new data1-10

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Tendencias del futuro

Materiales Metálicos• La producción sigue economía de los E.E.U.U. de cerca.• Las aleaciones pueden ser mejoradas por la química y el

control de procesamiento.• Nuevas aleaciones aeroespaciales investigadas

constantemente.Objetivo: Mejorar resistencia de corrosión y temperatura.Ejemplo: Níquel altas aleaciones basadas de súper temperaturas.

• Nuevas técnicas de tratamiento son investigadas.Objetivo: Mejorar vida de producto y propiedades de fatiga.Ejemplo: Forja (falsificación) isotérmica, metalurgia En polvo.

• Metales para usos biomédicos

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Tendencias del futuro

Polímeros (Materiales Plásticos)

• El más rápido crecimiento de material básico (9 % anual).

• Después de 1995 el índice de crecimiento se disminuyó debido a la saturación.

• Diversos materiales poliméricos pueden ser mezclas para producir aleaciones plásticas nuevas.

• La búsqueda de plásticos nuevos continúa

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Tendencias del futuro

Materiales Cerámicos Materiales Cerámicos • la nueva familia de cerámicas de la ingeniería es la nueva familia de cerámicas de la ingeniería es

producida desde la década pasada .Nuevos materiales producida desde la década pasada .Nuevos materiales y usos son encontrados constantemente.y usos son encontrados constantemente.

• Uso actual en Automóviles y Biomedicina.Uso actual en Automóviles y Biomedicina.• El tratamiento de los cerámicos es caro (dañados El tratamiento de los cerámicos es caro (dañados

fácilmente porque son sumamente frágiles.fácilmente porque son sumamente frágiles.• Se deben desarrollar mejores técnicas de tratamiento Se deben desarrollar mejores técnicas de tratamiento

para obtener cerámicas más resistentes al impacto.para obtener cerámicas más resistentes al impacto.

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Tendencias del futuro

• Los plásticos reforzados con fibra son productos Los plásticos reforzados con fibra son productos primarios.primarios.

• Sobre un crecimiento medio anual del 3 % a partir de Sobre un crecimiento medio anual del 3 % a partir de 1981 hasta 1987.1981 hasta 1987.

• El índice de crecimiento anual del 5% se predice para El índice de crecimiento anual del 5% se predice para los nuevos compuestos tales como combinaciones Fibra los nuevos compuestos tales como combinaciones Fibra de vidrio-De epoxy y Grafito-De epoxy.de vidrio-De epoxy y Grafito-De epoxy.

• Se espera que los aviones comerciales utilicen los materiales cada vez más compuestos.

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Tendencias del futuro

Materiales ElectrónicosMateriales Electrónicos• El empleo de materiales electrónicos como el

silicio aumentó rápidamente a partir de 1970.• Se espera que los materiales electrónicos jueguen

un papel vital en " las Fábricas de Futuro ".• El empleo de ordenadores y robots aumentará el

crecimiento extenso en el empleo de materiales electrónicos. El aluminio para interconexiones en circuitos integrados podría ser substituido por el cobre que tiene mejor conductividad.

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Tendencia del futuro

• Materiales elegantes: Cambie sus características detectando el estímulo externo

• Aleaciones de memoria de forma: El material estirado Aleaciones de memoria de forma: El material estirado (filtrado) vuelve atrás a su forma original encima de una (filtrado) vuelve atrás a su forma original encima de una temperatura crítica.temperatura crítica.

• Usado en válvulas de corazón y ampliar arterias.Usado en válvulas de corazón y ampliar arterias.

• Materiales piezoeléctricos: Produzca el campo eléctrico Materiales piezoeléctricos: Produzca el campo eléctrico cuando expuesto para forzar y viceversa. Usado en cuando expuesto para forzar y viceversa. Usado en actuadores y reductores de vibraciónactuadores y reductores de vibración

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MEMS y Nanomaterials

• MEMS: Sistemas micro electromecánicos.

• Micro bombas de dispositivos en miniatura, sensores

• Nanomateriales: Longitud característica <100 Ejemplos nm:

• el polvo de cerámica y el tamaño de grano <100 nm Nanomaterials son más difíciles y más fuertes que materiales de bulto.

• Tenga características biocompatible (como en Zirconia) los Transistores y diodos son desarrollados sobre un nanowire.

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Estudio del caso - Selección Material

• Problema: Seleccione el material conveniente para el marco de bicicleta y el tenedor.

Aceros y aleaciones Madera

fibra del carbón reforza en

plástico

AleacionesDe

aluminio

Titanio y magnesioaleaciones

Bajo costo pero PesadoMenos

Resistencia a la corrosión

Ligera y Fuerte. PeroNo puede ser

formado

Muy ligera yfuerte. No corrosión.

Muy costoso

Ligero,Fuerte, Resistencia a

la corrosión.costoso

Levemente mejorque el Aluminio.

Peromuycostoso

¿Costo importante? Seleccione de acero¿Características importantes? Seleccione el CFRP

(plastico reforzado con fibra de vidrio)