INGENIERIA DE MATERIALES ICapitulo 1: Estructura de los materiales. (capitulo 1, 2, 3 Smith ) Capitulo 2 : Solidificacin e imperfecciones cristalinas (cap. 4) Ex. Parcial 1 Capitulo 3: Difusin en soluciones slidas (cap. 5) Capitulo 4: Procesamiento y propiedades de los materiales. (cap. 6, 7, 14, 15 y 16) Ex. Parcial 2 Capitulo 5: Diagramas de fase. (cap. 8) Capitulo 6: Aleaciones Hierro-Carbono. (cap. 9) Ex. Parcial 3

Bibliografa: 1. Smith William. Fundamentos de la ciencia e Ingeniera de Materiales. cuarta edicin 2. Smith William. Ciencia e Ingeniera de Materiales. 3. Askeland. Ciencia e Ingeniera de Materiales. 4. Callister William. Introduccin a la Ciencia e Ingeniera de Materiales 5. Shakefford. Ciencia de Materiales para Ingenieros. 6. Mangonon. Ciencia de Materiales Seleccin y diseo. 7. Flinn-Trojan. Materiales de Ingeniera y sus Aplicaciones. 8. Avner. Introduccin a la Metalurgia Fsica. 9. Red Hill. Principios de Metalurgia Fsica. 10. Lasheras. Tecnologa del acero.

PLAN DE EVALUACION

1.

Evaluacin 1. A. Primer examen parcial (capitulo 1 y 2) (5 puntos) B. Resolucin de problemas (3 puntos) Evaluacin 2. A. Segundo examen parcial (capitulo 3 y 4) (5 puntos) B. Resolucin de problemas (2 puntos) C. Anticipo del trabajo de investigacin) (3 puntos)

2.

3. Evaluacin 3. A. Tercer examen parcial (capitulo 5 y 6) (5 puntos) B. Resolucin de problemas (2 puntos) C. Liquidacin del trabajo de investigacin) (3 puntos)

1. 2. 3.

Di fraccin de rayos x. Principio de funcionamiento y aplicacin Microscopia ptica (SEM y TEM). Principios de funcionamiento y aplicacin Deformacin plstica de materiales y aleaciones (proceso de deslizamiento y maclaje)

4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Endurecimiento de metales y aleaciones Propiedades elctricas. Teora y aplicaciones Propiedades magnticas. Teora y aplicaciones Propiedades trmicas. Teora y aplicaciones Propiedades pticas. Teora y aplicaciones Diagramas ternarios Obtencin del hierro y acero Tratamientos trmicos de las aleaciones ferrosas Materiales recientes y sus aplicaciones Programa para clculos de materiales

Estructura de los Materiales. Ciencia de Materiales. Genera el conocimiento acerca de la estructura interna, propiedades y procesado de los materiales.

Ingeniera de Materiales. Aplicacin del conocimiento para convertir a los materiales en productos tiles. Materiales. Sustancias de las que estn constituidas los elementos de mquinas, motores, estructuras, sistemas, etc.

1. Materiales metlicos: Sustancias INORGNICAS que estn formadas por uno o ms elementos metlicos y pueden tambin contener elementos NO METLICOS. Aleaciones y metales ferrosos: Aceros y hierros fundidos Aleaciones y metales no ferrosos: Cobre, aluminio, nquel, plomo, estao, titanio, etc. Ejemplo: (Metal-Metal) Aleacin Latn Aleacin Bronce Cu-Zn CuEstao Aluminio Berilio Silicio Sn Al Be Si

(Metal-No metal) CARACTERISTICAS:

Acero: Aleacin

hierro-carbono: Fe-C

- Buenos conductores trmicos y elctricos - Alta resistencia mecnica - Dctiles y maleables a altas temperaturas

2. Materiales polmeros: Son materiales formados por largas cadenas de molculas ORGNICAS se obtienen mediante un proceso Llamado polimerizacin (unir molculas pequeas) Ej. Polietileno molculas de Etileno. Plsticos: tefln, nylon, acrlico, P.V.C., polietileno, etc. Cauchos: natural, nitrilo, neopreno, silicn. CARACTERISTICAS: - Ligeros (livianos). - Resistentes a la corrosin. - Buenos aislantes. - No son adecuados altas temperaturas.

3. Materiales Cermicos: Son materiales INORGNICOS formados Por elementos metlicos y no metlicos. Ej.

Al O 2 3Metal No metal

SiO 2Metal No metal

OMg

CARACTERISTICAS: - Duros y frgiles (herramientas de corte) - Resisten altas temperaturas (Refractarios) - Son aislantes (baja conductividad elctrica y trmica) - Tienen adecuada estabilidad qumica y trmica

4. Materiales compuestos: Constituidos por la mezcla de dos o ms Materiales simples ( propiedades especiales).-Metal-Metal-

polmero: Llantas o Neumaticos (alambre-caucho) cermico: Herramientas de corte ( Polvos metlicos y

cermicos)-Metal-

metal: Acero revestido con nquel o cromo. cermico: Resina polmero con fibras de carbono.(chasis F1) Resina reforzada con fibra de vidrio. Pastilla de freno, zapatas

-Polmero-

-Polmero-polmero:

-Cermico-cermico: -concreto:

granillo, cemento, arena (hormign hierro)

Nuevos Materialesa.

Biomateriales. Materiales inertes, utilizados para ser incorporados o implantados dentro de un sistema vivo para reemplazar o restaurar alguna funcin permaneciendo en contacto permanente o intermitente con fluidos corporales (corrosivos). Ej: vlvulas, Prtesis (Ti 6Al 4V), marcapasos, clavos, placas, calces, etc.

a.

Nanomateriales. Materiales con caractersticas estructurales de una dimensin entre 1-100 nm. (Nanotecnologia)

Se obtienen al manipular tomos uno a uno para crear estructuras diminutas.Ej: Materiales Nanoestructurados, Nanopartculas, Nanopolvos, Materiales Nanoporosos, Nanofibras, Fullerenos, Nanotubos de Carbono, Nanohilos, Dendrmeros, Electrnica Molecular, Puntos Qunticos y Lminas Delgadas

Nuevos Materialesc. Materiales inteligentes.Materiales que tienen capacidad de detectar estmulos ambientales externos ( temperatura, esfuerzo, luz, humedad, campos elctricos y magnticos) y como respuesta estos modifican sus propiedades (mecnicas, elctricas o su aspecto), su estructura o propiedades.

Ej: Cristales piezoelctricos, aleaciones con memoria (Ni-Ti), etc. d. Materiales electrnicos. Materiales que se utilizan para la elaboracin de circuitos integrados, transistores, chips, etc. El ms importante es el silicio y germanio, a los que se modifican de distintas formas para cambiar sus caractersticas elctricas.

Seleccin de los materiales Seleccin apropiada Evitar fallas prematuras Garantiza un funcionamiento eficiente, seguro y de costo mnimo Causas de las fallas prematuras: - Deficiencias en el diseo - Deficiencias en la seleccin de materiales - Deficiencias en la fabricacin de los elementos - Deficiencias en el montaje - Deficiencias en las condiciones de operacin y mantenimiento Para una seleccin apropiada se deben conocer : - Las condiciones en las que van ha trabajar (requerimientos) - Propiedades de los materiales (Mecnicas, fsicas y qumicas (estructura)) - Facilidad de procesamiento (soldabilidad, formabilidad y maquinabilidad) - Costo

La aplicacin que se le de a un material depende de sus caractersticas, a su vez sus caractersticas dependen de la estructura interna del mismo. Por ejemplo, en la industria automotriz se utilizan las aleaciones ferrosas, aluminio, plsticos y otros. En la actualidad se trata de reducir al mximo: - Consumo de combustible - Contaminantes del producto de la quema de combustibles - Residuos slidos Alternativas de solucin al problema - Disminuir el peso utilizando aceros de alta resistencia que permitan reducir los espesores ( vehculos ms livianos) - Sustituir ciertas partes de acero por materiales ms ligeros (aluminio y plsticos) - Combustin ms eficiente mediante temperaturas de operacin del motor ms elevadas (uso de cermicos) - Mejor diseo para reducir al mximo la resistencia al avance aerodinmico - Uso de combustible de mejor calidad - Uso de equipos de control de emisiones

tomo: Es la unidad elemental de los elementos qumicos. Estnconstituidos de: a) Ncleo Protones

m = 1,673 x 10-24 g C = + 1,602 x 10-19 C m = 1,675 x 10-24 g C = 0 C (No tiene carga)

Neutrones

b) Nube electrnica Electrones

m = 9,109 x 10-28 g C = - 1,602 x 10-19 C

Se caracterizan por los siguientes parmetros:Nmero

atmico (z). Nmero de protones o electrones que tiene un tomo . Ej.: Fe z = 26 26 Protones 26 ElectronesMasa

atmica (A). Suma de la masa de protones y neutrones del ncleo de un tomo.Masa

atmica relativa. Masa en gramos de 6,023 x 1023 tomos (nmero de Avogadro NA) de ese elemento.Unidad

de masa atmica (uma). Doceavo de la masa de un tomo de carbono (tomo de carbono tiene una masa de 12 uma)Isotopos.

tomos de un mismo elemento que tienen diferente nmero de neutrones.***

Los isotopos NO tienen la misma MASA ATOMICA.

Estructura electrnica de los tomos.

tomo de hidrgeno. tomo ms simple Consta de: - Ncleo: 1 protn y 1 Neutrn - Nube electrnica: 1 electrna. Si un electrn es excitado a un nivel energtico superior, absorbe una cantidad discreta de energa. b. Si un electrn es excitado a un nivel energtico inferior, emite una cantidad discreta de energa (fotn)

La variacin de energa asociada con la transicin del electrn desde un nivel a otro, se determina por: donde h = Constante de Planck = 6,63 x 10-34 J s. = Frecuencia hc E h c = velocidad de la luz = 3,00 x 108 m/s = longitud de la onda

** Energa del electrn:E 2 2me4 n 2h 2 13,6 eV 2 n

donde: n = Nmero cuntico principal e = carga del electrn m = masa del electrn

Nmeros cunticos de los electrones

El movimiento de un electrn y su energa estn caracterizados por sus nmeros cunticos:a.

Nmero cuntico principal (n). Representa los niveles energticos principales para el electrn y puede ser interpretado como una zona en el espacio donde es alta la probabilidad de encontrar el electrn con un valor particular de n (valores entre 1 y 7)

a.

Nmero cuntico secundario (Acimutal) (L). Especifica los subniveles de energa dentro de los lmites de los niveles principales (valores de L = 0, 1, 2, 3, , n 1) Las letras s, p, d y f se utilizan para designar a los subniveles energticos (orbitales)

c. Nmero cuntico magntico (mi ).Representa la orientacin espacial de un orbital atmico y contribuye poco a la energa de un electrn.

mid.

2 L 1, si L

2

mi

2 2 1 5

2, 1,0,1,2

Nmero cuntico de spin (ms ). Expresa las dos direcciones de spin permitidas para el giro del electrn en torno a su propio eje. Las direcciones son en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario, y su valores permitidos son y - .

PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI: Dos electrones no pueden tener los 4 nmeros cunticos iguales

CONFIGURACIN ELECTRNICA DE LOS ELEMENTOS. Representa la distribucin de los electrones de un tomo en sus orbitales.1s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2

2 Valencia = 2

Mg:1s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p1

2+1 Valencia = 3 2+2 Valencia = 4

Al:1s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 10 4 s 2 4 p 2

Ge:

Nmero mximo de electrones por cada nivel electrnico principal Numero de capa Nmero mximo de Nmero mximo de (nmero cuntico principal, electrones en cada capa electrones en los orbitales n) (2n2) 1 2 3 4 5 6 7 2 (12) = 2 2 (22) = 8 2 (32) = 18 2 (42) = 32 2 (52) = 50 2 (62) = 72 2 (72) = 98 s2 s2 p6 s2 p6 d10 s2 p6 d10 f14 s2 p6 d10 f14 s2 p6 s2

Excepciones en la configuracin electrnica Para el Fe que tiene un nmero atmico 26, la estructura esperada debera ser:1s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 8

Pero la estructura real es:1s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 6 4 s 2

El nivel 3d incompleto causa el comportamiento magntico del Fe. Valencia. - Capacidad de un tomo para entrar en combinacin qumica con otros elementos (nmero de electrones en el nivel exterior sp)

Electronegatividad .- Es la capacidad que tienen ciertos elementos de ganar electrones. (No metales) Ejemplo: Cl, z=17 Gana electrones.

1s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 51s 2 2 s 2 2 p 4

O, z = 8

Electropositividad .- Es la capacidad que tienen los metales de perder electrones. (Metales). Ejemplo: Al, z=13 1s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p1 Ceder electrones. Ni, z = 281s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 8 4 s 2

Estabilidad atmica.- Si un tomo tiene valencia 0, tiene una alta estabilidad qumica y el elemento es inerte. Ejemplo: Ne, z = 10Ar, z =181s2 2 s2 2 p61s 2 2 s 2 2 p6 3 s 2 3 p61s 2 2 s 2 2 p6 3 s 2 3 p6 3 d10 4 s 2 4 p6

Kr, z = 36Tienen la configuracin

s 2 p6

en su ltimo nivel.

TIPOS DE ENLACES. Atmicos y Moleculares 1.- Enlaces primarios: Son aquellos en que intervienen grandes fuerzas interatmicas . a.- Enlace Inico: Se fundamenta en la transferencia de electrones de un tomo a otro, producindose iones que se mantienen unidos por fuerzas interatmicas. Enlace no direccional y relativamente fuerte. Ejemplo: NaCl.

Se puede formar entre elementos muy electropositivos y elementos muy electronegativos.

b.- Enlaces covalentes: Se fundamenta en la comparticin de electrones lo cual genera fuerzas interatmicas relativamente grandes. Enlace direccional .

Se da entre tomos con pequeas diferencias de electronegatividad y ubicados muy cerca en la tabla peridica

c. - Enlaces metlicos: Se fundamenta en la comparticin de electrones deslocalizados e involucra fuerzas interatmicas relativamente grandes. Enlace fuerte no direccional.Los metales slidos son, por consiguiente, visualizados por ncleos (cores) de iones positivos (tomos sin sus electrones de valencia) y electrones de valencia dispersados en forma de una nube electrnica. Los electrones de valencia estn dbilmente enlazados a los ncleos de iones positivos y pueden moverse facilmente en el metal cristalino y por esto son llamados, electrones libres. Las altas conductividades trmica y elctrica se basa en esta teora.

2.- Enlaces secundarios: Son aquellos en que intervienen fuerzas intermoleculares dbiles, llamadas de Van der Walls. Ej.:

a.- Enlaces de dipolo permanente: Es el que es da entre molculas que poseen dipolos permanentes. Ejemplo:

H 2O

CH 4

b.- Enlaces de dipolo variables: Es el que se da entre tomos con distribucin asimtrica de las densidades electrnicas en torno a sus ncleos. Ejemplo: los gases nobles. Ambos enlaces son NO DIRECCIONALES

Enlace mixto inico-covalente. Los compuestos unidos en forma covalente tales como GaAs y ZnSe tienen cierta cantidad de caracter inico (cermicos y semiconductores).( 1/ 4)( x x )2 A B )(100 %) % caracter inico (1 e

XA y XB son las electronegatividades de los tomos A y B en el compuesto. Muchos compuestos semiconductores tienen enlace mixto inico-covalente. El grado de caracter inico en el enlace de estos compuestos crece a medida que lo hace la diferencia de electronegatividades entre los tomos en el compuesto.

Enlace mixto metlico-covalente. Los metales de transicin (altos puntos de fusin). Ejemplo, metales como el titanio o el hierro tienen enlaces mixtos. Los altos puntos de fusin se atribuyen al enlace mixto.Tambin en el grupo 4A de la tabla peridica hay una transicin gradual desde el enlace covalente puro en el carbono a algn caracter metlico en el silicio y germanio para terminar en el estao y plomo con un caracter primordialmente metlico Enlace mixto metlico-inico. Si se da una diferencia significativa de electronegatividad en los elementos que forman el compuesto intermetlico, puede ser que exista una cantidad significativa de transferencia electrnica (enlace inico). Ejemplo, Los compuestos intermetlicos NaZn13, Al9Co3 y Fe5Zn21

Enlace mixto covalente - Fuerzas de Van Der Waals.Los polimeros tienen este enlace mixto.

Dentro de las molculas pequeas los enlaces covalentes son muy fuertes y entre molculas las fuerzas de Van De Waals que son dbiles.

Conclusin: Los tomos, molculas y iones se unen entre si porque al hacerlo llegan a un estado de menor energa (estabilidad).

Los electrones de Valencia son los responsables de la unin o enlace.Energa de enlace. Es la energa necesaria para romper un enlace qumico (J/mol).

Fuerzas interinicas para un par de iones

Considerando un par de iones con carga opuesta aproximndose uno al otro desde una gran distancia a, se tiene que la fuerza neta entre los mismos es igual a:

Fneta Fatractiva F repulsiva

Usando la ley de Coulomb se tiene:Fatractiva Ze Z e 1 2 4 o a2F repulsiva

Z Z e2 1 2 4 o a2

FnetaDonde:

nb an 1 Z Z e2 n b 1 2 4 o a2 an 1

Z y Z numero de electrones cedidos o aceptados por 1 2 los tomos durante la formacin de los correspondientes iones. e carga del electrn.

a distancia interatmica.o permitividad en el vacio2 8,85 10 12 C N m2

b y n constantes n varia de 7 a 9 siendo 9 para NaCl.

Energas interinicas para un par de iones

Cuando los iones se acercan se libera energa y cuando se alejan se absorbe energa.

EnetaEnerga de atraccin

Z Z e2 b 1 2 n 4 o a2 aEnerga de repulsin

Tabla peridica de los elementos La tabla peridica es el ordenamiento de los elementos qumicos. Los elementos se clasifican en: 1. Metales: a. Metales reactivos (dos primeras columnas) b. Metales de transicin (parte central) 2. No metales (derecha de la tabla) 3. Gases nobles (ultima columna derecha) 4. Semiconductores ( B, Si Ge, As, Sb, Te, etc) escalera derecha. 5. Tierras raras ( Dos filas parte inferior)

Tabla peridica de los elementos Esta constituida por filas y columnas que se denominan perodos y grupos respectivamente. En la misma fila o perodo se encuentran los elementos con los mismos niveles energticos en orden de su peso atmico. Los perodos corresponden a las capas cunticas, o nmeros cunticos principales. Ejemplo: Los elementos del segundo perodo Li al Ne tienen (n = 2) electrones en la capa L, mientras los elementos del Na al Ar tienen (n = 3) electrones en la capa M.

Tabla peridica de los elementos En la misma columna o grupo se en encuentran los elementos con la misma valencia, con propiedades y comportamiento semejantes. Ejemplo: El Li, Na y K en el grupo IA tienen valencia 1, mientras que el F, Cl y el Br en el grupo VII A tienen valencia 7. En el grupo 0 en el extremo derecho se encuentran los gases inertes, que tienen lleno el nivel externo sp. Normalmente, los elementos de cada grupo poseen propiedades y comportamientos qumicos similares. Ejemplo: En el grupo VII se encuentran los elementos F, Cl, Br y I que son todos semejantes en propiedades y comportamiento qumico.

Grupo A. Pertenecen todos los elementos que en su ltimo nivel de energa llenan los orbitales s o p.

Grupo B. Pertenecen los metales de transicin que son los que presentan varios estados de oxidacin (capas d o f parcialmente llenas) IIIB, IVB, VIB, VIIB Frgiles VIIIB, IB Dctiles