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Universidad Simón Bolívar

Curso MT-1113

Ciencia de los Materiales

Introducción y TEMA 1

Introducción del Curso

Relevancia del Curso

Temario. Cronograma y Evaluaciones.

TEMA 1: Importancia de la Ciencia e Ingeniería de los materiales, aspectos introductorios.


Introducción del Curso

Horas de dedicación

T: 4 / P: 1

UC: 3

Requisitos Previos QM-1121 / MC-2111

Objetivos


Importancia del Curso

¿Por qué estudiar Ciencia de los Materiales e

Ingeniería de los Materiales?

Elección de un material adecuado.

Criterios :

1. Condiciones de servicio, las mismas dictarán las propiedades requeridas del

material.

2. Deterioro de las propiedades durante el servicio.

3. Razones económicas.


TEMARIO

TEMA 1: Introducción a la Ciencia de los Materiales

Importancia de la Ciencia e Ingeniería de Materiales

Clasificación de los Materiales y sus principales Características

TEMA 2: Enlaces Atómicos y Propiedades

Estructura atómica

Tipos de enlace

Propiedades de los materiales relacionadas con los enlaces

atómicos

Estructuras Cristalinas. Sólidos no cristalinos. Índices de Miller:

direcciones y planos en Sistemas Cúbicos. Factor de

empaquetamiento y densidad de los materiales.

Defectos en sólidos cristalinos. Puntuales, Lineales y Superficiales.


TEMARIO

TEMA 3: Diagramas de Fase.

Solidificación. Fundamentos básicos. Definición de grano y borde de

grano.

Solubilidad sólida. Reglas de Hume-Rothery.

Curvas de enfriamiento (Temperatura vs. Tiempo). Diagramas

Isomorfo.

Información obtenida en los diagramas de fase. Regla de la Palanca

Estructura y Propiedades


TEMARIO

TEMA 4: Aleaciones Metálicas.

Aleaciones Ferrosas y No Ferrosas.

Aleaciones hierro-carbono.

Diagrama de fase de Hierro-Cementita. Reacciones invariantes

aceros y fundiciones.

Tratamientos térmicos de los aceros: recocido, normalizado, temple

y revenido.

Curvas de transformación isotérmica.

Templabilidad y sus medidas.

Tratamientos superficiales. Difusión y Leyes de Fick. Carburización.


TEMARIO

TEMA 5: Propiedades Mecánicas de los Materiales.

Deformación elástica y plástica. Mecanismos de deformación

(deslizamiento).

Mecanismos de endurecimiento: endurecimiento por deformación,

por solución sólida, por refinamiento de grano y por precipitación.

Trabajo en frío, recocido de alivio de tensiones y recocido de

recristalización.

Trabajo en caliente Deformación

Ensayo de Impacto y la tenacidad a la fractura.


TEMARIO

TEMA 6: Fallas en Materiales.

Termofluencia.

Condiciones de ocurrencia.

Curvas vs. t. Etapas de una curva de termofluencia.

Uso de datos de termofluencia.

Fatiga.

Identificación de la falla.

Curvas S-N. Límite de fatiga.

Control de la fatiga.

Corrosión.

Conceptos básicos. Tipos.

Corrosión electroquímica. Pilas galvánicas.

Indicadores de corrosión.

Control y prevención.


Cronograma y Evaluaciones

Información del curso y medio de comunicación

estudiante-profesor a través del “aula virtual” de la

USB: www.asignaturas.usb.ve

Curso: Materiales MT-1113 ABR-JUL 2011.

Evaluación:

Tres exámenes parciales 90%

Proyecto Final 10%

http://www.asignaturas.usb.ve/


TEMA 1

Introducción a la Ciencia de los Materiales

Importancia de la Ciencia e Ingeniería de Materiales

Clasificación de los Materiales y sus principales

Características

La selección de materiales en el diseño


Ciencia e Ingeniería de los Materiales

“Ciencia de Materiales”

Investigación entre las estructuras y

propiedades de los materiales “Ingeniería de Materiales”

Parte de la estructura y propiedades y

el diseño.

Propiedades

Estructura Procesamiento


Estructura

Disposición de sus componentes internos.

Estructura electrónica (subatómico)

Estructura atómica (nivel molecular, composición química)

Microestructura (grupos de átomos que forman aglomerados, se observa con el microscopio)

Macroestructura (se puede observar con el ojo desnudo)

Nanoestructura (estructura en la escala de los nanómetros)


Propiedad

Característica del material en términos de la magnitud de respuesta a un estímulo específico impuesto.

Mecánicas (Módulo de elasticidad, resistencia)

Térmicas (Capacidad calorífica y conductividad térmica)

Eléctricas (Conductividad eléctrica y constante dieléctrica)

Magnéticas (Respuesta al campo magnético)

Ópticas(Índice de refracción , reflectividad)


Material Tipo

Composición

Estructura

Síntesis /Procesamiento

Comportamiento

Propiedades Mecánicas (Respuesta ante una fuerza

mecánica, resistencia, rigidez, ductilidad, impacto,

resistencia a la fatiga, termofluencia, desgaste)

Propiedades Físicas ( Comportamiento eléctrico, óptico,

químico)


Clasificación de los materiales

Metálicos

Cerámicos

Polímeros

Compuestos

Semiconductores

Biomateriales

Nanoingeniería

Composición y estructura átomica.

Aplicaciones ingenieriles y materiales avanzados


Familia de materiales


Ejemplos de cada familia de material


Diversos Tipos de Materiales


Procesado de Materiales


Selección de materiales

Aplicación dada → Determinar las propiedades

requeridas: mecánicas, eléctricas, térmicas,

magnéticas, ópticas, resistencia a la corrosión, etc.

Propiedades → Seleccionar materiales

candidatos: estructura, composición

Material → Seleccionar procesamiento requerido

Procesamiento: Cambio de estructura y de forma.

Ejemplo: fundición, sinterizado, deposición por vapor,

dopado, conformado, soldadura, tratamiento térmico, etc.


Ciencia de Materiales MT1113


• Composición: elementos que componen al material.

• Estructura: ¿Cómo estas organizados estos elementos?, átomos,

grupos de átomos, fases, distribución de precipitados, partículas.

• Propiedades: Características de los materiales como respuesta a una

acción física y/o química.

• Desempeño (comportamiento): ¿Cómo responde el material en un

entorno de aplicación dada?

• Procesamiento: Técnicas de transformación de la materia prima en un

producto elaborado o semi-elaborado.


Ciencia de Materiales MT1113


Propiedades Mecánicas: deformación a una carga o fuerza

aplicada

Eléctricas: conductividad eléctrica, constante dieléctrica, sensibilidad a campos eléctricos

Térmicas: capacidad calorífica, conductividad térmica

Magnéticas: respuestas a campos magnéticos

Ópticas: refracción, reflectividad

Deteriorativas: reactividad química


Aleaciones Metálicas

Aleaciones de Hierro, Aluminio, Cobre, Níquel Titanio

y.

Clasificación General

Aplicaciones


Metales

Incluyen el acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre y níquel)

Elementos puros o combinación de elementos metálicos (aleaciones)

Enlace metálico

Propiedades:

Buenos conductores eléctricos

Buenos conductores térmicos

Apariencia brillante - No transparentes

Fuertes - resistentes

Deformables

Algunos magnéticos


Metales

ELEMENTOS SOMBREADOS: CONSTITUYEN LA BASE DE LAS DIVERSAS ALEACIONES PARA INGENIERIA, INCLUYENDO HIERROS Y ACEROS, ALEACIONES DE ALUMINIO, LAS DE MAGNESIO, LAS DE TITANIO, LAS DE NIQUEL.


Aleaciones de Hierro

Se basan en aleaciones de hierro y carbono. Incluyen

los aceros bajo carbono, aceros aleados y de

herramientas y aceros inoxidables y los hierros fundidos.

Producción de acero

El carbono del coque

reduce el oxido de hierro

en hierro líquido,

produciendo monóxido de

carbono y bióxido de

carbono. La piedra caliza

forma la escoria que

elimina las impurezas,

luego al hierro líquido se le

inyecta oxigeno eliminando

carbono excedente

produciendo acero líquido.


Clasificaciones

AISI American iron and steel Institute

SAE Society of Automotive Engineers

Aceros al Carbono


Clasificaciones

Aceros de baja aleación y alta resistencia (HSLA):

Aceros al bajo carbono que contienen pequeñas cantidades de

elementos de aleación. Estos presentan un procesamiento

cuidadoso que permiten la precipitación de carburos y nitruros

de V y Ti entre otros, que permiten un endurecimiento por

dispersión y un tamaño de grano fino.

Aceros inoxidables:

Contienen un mínimo de 12% Cr, lo que permite la formación de

una capa de oxido de cromo al exponerlo al oxígeno.

Aceros ferríticos contienen hasta 30%Cr y menos de 0,12% C

Aceros martensíticos 17%Cr y 0,5% C son tratados a 1200C y

templados en aceite para formar martensita luego revenidos.

Aceros austeníticos Mas de un 17% Cr y menos del 0,1% C.

Aceros Especiales


Clasificaciones

Aceros para herramienta : Aceros con alto contenido de carbono y tratados

térmicamente.

Aceros inoxidables endurecidos por precipitación (PH): Estos aceros

contienen Al, Nb o Ta y deben sus propiedades a los endurecimientos por

solución sólida, por deformación, por envejecimiento y por transformación

martensítica.

Aceros inoxidables dúplex: Aceros con una mezcla de fases equivalentes al

50% de ferrita y de austenita.

Aceros Especiales


Clasificaciones

Ma

rten

sític

o

Tipo C Mn Si Cr Ni P S Otros

AISI 403 0.15 1.00 0.50 11.5-13.0 -- 0.04 0.03 --

AISI 422 0.20-0.25 1.00 0.75 11.0-13.0 0.5-1.0 0.025 0.025 1Mo,1.25W,V

AISI 440 0.95-1.20 1.00 1.00 16.0-18.0 -- 0.04 0.03 0.75Mo

CA-40 0.20-0.40 1.00 1.50 11.5-14.0 1.0 0.04 0.03 0.5Mo

Fe

rrítico

AISI 405 0.08 1.00 1.00 11.5-14.5 -- 0.04 0.03 0.10 Al

AISI 430 0.12 1.00 1.00 16.0-18.0 -- 0.04 0.03 --

AISI 446 0.20 1.50 1.00 23.0-27.0 -- 0.04 0.03 0.25N

CB-30 0.30 1.50 1.00 18.0-21.0 2.0 0.04 0.04 --

Au

ste

nític

o

AISI 201 0.15 5.5-7.5 1.00 16.0-18.0 3.5-5.5 0.06 0.03 0.25N

AISI 202 0.15 7.5-10.0 1.00 17.0-19.0 4.0-6.0 0.06 0.03 0.25N

AISI 304 0.08 2.00 1.00 18.0-20.0 8.0-10.5 0.045 0.03 --

AISI 316 0.08 2.00 1.00 16.0-18.0 10.0-14.0 0.045 0.03 2-3Mo

AISI 316L 0.03 2.0 1.0 16.0-18.0 10.0-14.0 0.045 0.03 2-3Mo

CF-3M 0.03 -- 1.5 17.0-21.0 9.0-13.0 -- -- 2-3Mo

En

du

recid

o

po

r Pre

cip

.

17-4PH 0.04 0.30 0.60 16.0 4.2 -- -- Cu, Nb

PH13-8Mo 0.04 0.03 0.03 12.7 8.2 2.2Mo

PH15-7Mo 0.07 0.50 0.30 15.2 7.1 -- -- 2.2Mo

A-286 0.05 0.50 0.50 14.75 25 -- -- Mo, Al


Clasificaciones

Aleaciones hierro

carbono silicio que

tienen 2 a 4% C y

de 0,5 a 3% Si y

que durante su

solidificación

experimentan

reacción eutéctica.

Hierros fundidos

Fundición Gris Contiene grafito en

forma de hojuelas que causan baja

resistencia y ductilidad.

Fundición Blanco Es una aleación dura

y frágil con cantidades de Fe3C.

Fundición Maleable Es tratada

térmicamente con el fin de producir

nódulos de grafito.


Aleaciones No Ferrosas

Aluminio

Posee una densidad de 2,70 g/cm3.

Una buena relación resistencia-peso.

Alta conductividad térmica y eléctrica.

No magnético

Excelente resistencia a la corrosión y a la oxidación.

No trabaja a temperaturas elevadas.

Su utilización abarca la industria aeronáutica y

automotriz.

Sistema de Clasificación

Propiedades del aluminio



Propiedades Mecánicas de las aleaciones de

aluminio



Aleaciones de Cobre

Límite elástico alto. Alta ductilidad.

Resistencia mecánica menor que la del aluminio.

Posee una menor resistencia a la fatiga, a la termofluencia y al desgaste.

La mayoría presentan una excelente ductilidad y resistencia a la corrosión.

Buena soldabilidad

Su aplicación incluye alambres, bombas, válvulas componentes de plomería y

aplicaciones eléctricas.

Propiedades Mecánicas de las aleaciones de cobre



Níquel y Cobalto

Se utilizan para la protección contra la

corrosión y tolerancias a altas temperaturas.

El níquel posee buena conformabilidad .

Las aleaciones de Cu-Ni (Monel) ofrecen

una alta resistencia a la corrosión

particularmente en agua salada y a

temperaturas elevadas.

Otras aleaciones de Ni presentan un

comportamiento ferromagnético.

Las aleaciones de cobalto ofrecen

excelentes resistencia al desgaste.

Entre algunas aplicaciones se destacan

aletas y aspas de motores y turbinas,

intercambiadores de calor, partes de

recipientes para reacciones químicas entre

otros.

Composiciones, propiedades y aplicaciones del níquel y

cobalto.

Universidad Simón Bolívar Aleaciones No Ferrosas

Titanio

Posee una alta resistencia a la

corrosión.

Resistencia mecánica especifica

alta y buenas propiedades a altas

tempertauras.

Una pelicula de TiO2 proporciona

por debajo de 535ºC excelente

resistencia a la corrosión.

Entre algunas aplicaciones

destacan los equipos de

procesamiento químico y

componentes marinos e implantes

biomédicos.

Composiciones y propiedades del Titanio


Cerámicos

Ladrillo, Vidrio, Porcelana, Refractarios y Abrasivos.

Compuestos entre elementos metálicos y no metálicos

Enlaces iónicos o covalentes

Propiedades:

Duros

Frágiles

Aislantes eléctricos (Baja conductividad Eléctrica)

Pobres conductores térmicos

Pueden ser transparentes u opacos

Resistencia al calor

Resistentes a la corrosión


Cerámicos

ELEMENTOS METALICOS (SOMBREADO

CLARO) CON ELEMENTOS NO

METALICOS (SOMBREADO OSCURO)

EL OXIDO DE ALUMINIO (AL2O3) ES CARACTERISTICOS DE LA FAMILIA DE LOS MATERIALES CERAMICOS, EL

OXIDO PRESENTA LA VENTAJA:

EL AL2O3 ES QUIMICAMENTE ESTABLE EN UNA VARIEDAD DE AMBIENTES SEVEROS.

TIENE UNA TEMPERATURA DE FUSION SIGNIFICATIVAMENTE MAYOR 2020 C QUE EL ALUMINIO

METALICO C DUCTILIDAD: CAPACIDAD DE DEFORMACION PERMANENTE.

ALTA RESISTENCIA Y ALTA FRAGILIDAD.

OTRO EJEMPLO ES EL OXIDO DE MAGNESIO (MgO) y la Sílice (SiO2) ESTA CONSTITUYEN LOS SILICATOS

QUE INCLUYEN LAS ARCILLAS Y LOS MATERIALES ARCILLOSOS.

EN GENERAL LOS CERAMICOS SON COMPUESTOS QUIMICOS CONSTITUIDOS AL MENOS UN ELEMENTO

METALICO Y UNO DE LOS CINCO ELEMENTOS NO METALICOS (C,N,O,P ,S)


MATERIALES CERAMICOS: CRISTALINOS

Cerámicos cristalinos incluyen los silicatos

tradicionales y los muchos compuestos

oxídicos y no oxídicos empleados en

tecnologías tradicionales como

avanzadas.

Silicatos Basados en el SiO2 estos

materiales son muy abundantes y forman

parte de la mayoría de las rocas, arenas

y arcillas.

Destacan las:

• Cerámicas Blancas Cerámicos cocidos con una microestructura típicamente blanca y con un tamaño de grano fino. Ejm. Porcelana China.

• Arcilla Ladrillos, tejas.

Composición de algunos silicatos Cerámicos



La alumina Al2 O3 y Magnesia (MgO) Refractario utilizado en la industria del acero.

Óxidos puros con niveles de impureza menores al 1%, se utilizan en la industria electrónica.

Cerámicos de óxidos no silicatos

Composición de algunos silicatos Cerámicos

Paneles de alumina

Ladrillos de alumina


Cerámicos no óxidos

Han sido materiales corrientes en la industria desde hace varias décadas. Carburo de Silicio (SiC) Utilizados en elementos de hornos de calentamiento y como material abrasivo. Se obtiene de arenas o cuarzo de alta pureza y coke de petróleo fusionados en horno eléctrico a más de 2000 ºC con la siguiente composición:

SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO Carburo de wolframio o carburo de tungsteno es un compuesto por wolframio y carbono. Con composición química de W3C hasta W6C. Se utiliza fundamentalmente, debido a su elevada dureza, en la fabricación de maquinarias y utensilios para trabajar el acero así como también se construyen algunas piezas que requieren elevada resistencia térmica o mecánica, como cojinetes de ejes, etc. También recibe el nombre de Widia.


Cerámicos no óxidos


MATERIALES CERAMICOS: NO CRISTALINOS

Vidrio

El vidrio es un material sólido que se ha endurecido sin cristalizar. El vidrio se obtiene por fusión a unos 1.500 ºC de arena de sílice (SiO2 ) y carbonato de sodio (Na2 CO 3) y caliza (Ca CO 3). El sustantivo cristal es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto debido a que el vidrio es un sólido amorfo y no un cristal propiamente dicho.

Vitrocerámicas

Materiales más sofisticados, pues combinan la naturaleza de los cerámicos cristalinos y los vidrios. Esta caracterizado por una resistencia al impacto mecánico y al choque térmico muy superior a los cerámicos convencionales (eliminación de poros). Resistencia al choque térmico resultado de los bajos coeficientes de dilatación


Polímeros

Productos obtenidos del proceso de Polimerización de grandes

estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas, incluyen el hule,

los plásticos y los adhesivos.

Compuestos orgánicos basados en C, H y otros elementos no metálicos

Enlaces covalentes y secundarios

Propiedades:

Baja densidad

No conductores

Bajo punto de fusión

Pueden ser transparentes u opacos

Pueden ser muy flexibles


Polímeros

ELEMENTOS SOMBREADOS ESTAN ASOCIADOS A LOS PRINCIPALES

POLIMEROS COMERCIALES


Clasificación de Materiales Poliméricos

Materiales

Orgánicos

o Poliméricos

Orgánicos

Naturales

Polímeros

Sintéticos

Corcho (Aislamiento)

Fibras Naturales (Textiles y Cintas)

Aceites (Lubricación y Comida)

Resinas y Breas (Cubiertas Protectoras)

Termoplásticos

Elastómeros

Termoestables

Construcción

Cubiertas

Empaque

Aislamiento

Textiles

Cintas

Lubricación

Cubiertas Protectoras


Termoplásticos

Grupo de polímeros amorfos o semicristalinos, capaces de ser reciclados,

están compuestos por largas moléculas lineales o ramificadas unidas

entre si sólo por enlaces secundarios. Los polímeros termoplásticos

suelen ser utilizados en artículos tales como paredes y pisos de plásticos

(cloruro de polivinil y poliestireno), reflectores de luz fluorescentes

(poliestireno), y lentes de plástico (polimetil metacrilato)

Lente de polimetil metacrilato con montura de policarbonato. Cortesía:www.quiminet.com.mx

Teflón


Elastómeros

Grupo de materiales poliméricos formado por macromoléculas

termoplásticos enlazadas por un pequeño número de puntos de

anclajes. Debido al pequeño número de puntos de anclaje, las

moléculas pueden todavía cambiar apreciablemente su geometría al

someterse a deformación mecánica, recuperando la geometría

original al eliminar la tensión. Ejemplo de elastómeros son el caucho

y el látex.


Como la estructura polimérica consiste principalmente de enlaces

covalentes, este grupo de polímeros es mucho más estable

térmicamente y no puede ser blandecidas con la temperatura. Un

ejemplo de los polímeros termoestables es la baquelita. Este tipo de

polímeros es empleado frecuentemente en receptores de teléfonos,

salidas eléctricas, aisladores eléctricos y térmicos.

Termoestables


MATERIALES COMPUESTOS

Son mezclas de dos o más materiales.

La mayoría de ellos constan de un determinado material de refuerzo o

relleno escogido y una resina compatible de unión con el objeto de

obtener las características específicas y propiedades deseadas. Estos no

se disuelven uno en otro y pueden ser físicamente identificados por una

interfase entre ellos

Alta resistencia a la corrosión.


TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS

Materiales

Compuestos

reforzados con

fibras

Están compuestos por partículas

de un material duro y frágil

dispersas discreta y

uniformemente, rodeadas por

una matriz más blanda y dúctil

Concreto compuesto particulado

que contienen arena gruesa en

una matriz de cemento

Materiales

Compuestos

reforzados

con partículas

Uno de los componentes suele ser

una fibra reforzante o fuerte (fibra de

vidrio, cuarzo o fibra de carbono) y el

otro llamado matriz que suele ser una

resina epoxy o poliéster que envuelve

o liga las fibras.

Las fibras proporcionan buenas

propiedades mecánicas y la matriz es

la responsable de las propiedades

físicas y químicas.

Fibra de Vidrio


TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS

Materiales

Compuestos

estructurales o

laminares

Los laminares están formadas por paneles unidos entre si

por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que

cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección

preferente, más resistente a los esfuerzos. Ejemplo madera

contraenchapada.

Otros consisten en dos láminas exteriores de elevada

dureza y resistencia (normalmente plásticos reforzados,

aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos

denso y menos resistente, polímeros cauchos sintéticos.

Se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria

aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos

multicapas.


MATERIALES AVANZADOS

Son materiales tradicionales cuyas propiedades

han sido mejoradas y son más costosos que los

tradicionales.

SEMICONDUCTORES Con propiedades

eléctricas intermedias entre los conductores y

aislantes. Son utilizados en la industria

electrónica y de computación.

BIOMATERIALES Compontes implantados en el

cuerpo humano para el reemplazo de partes de

cuerpos enfermos y dañados, no deben producir

sustancias toxicas y deben ser compatibles con

los tejidos del cuerpo humano.

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