Ciencia de Materiales Leonardo Goyos Tania Rodríguez goyos@mecanica.cujae.edu.cu 260 0335 266 3844 Tania Rodríguez tania@mecanica.cujae.edu.cu 266 3607 Daniel Díaz Batista danieldiaz@mecanica.cujae.edu.cu 266 3844 Abel Fumero Pérez afumero@mecanica.cujae.edu.cu 266 3844 Dulce María Almora dalmora@mecanica.cujae.edu.cu 266 3844

Ciencia de Materiales Textos Callister W. Materials Science and Engineering. An introduction Guliaev A.P. Metalografía, Kamenichny, I. Heat Treatment Handbook.

Fondo de tiempo según temas y tipos de clases Conferencias Clase Práctica Laboratorios Seminarios Evaluaciones Total de horas I. Estructura de los materiales. 4 2   - 6 II. Comportamiento Mecánico de los materiales III. Mecanismos de fortalecimiento de los materiales 12 IV. Rotura V. Diagramas de Fases 10 VI. Transformación de fases VII. Tratamientos Térmicos VIII. Aleaciones Metálicas 8 IX. Estructura y propiedades de los materiales cerámicos X. Estructura y propiedades de los polímeros. XI. Estructura y propiedades de los materiales compuestos Total 36 18 72

EXÁMENES DE REVALORIZACIÓN   SEM LUNES MARTES MIERCOLES JUEVES VIERNES FECHA 1 2 3 03-09/09 SM CM M E R T MT MTe 10.16/09 Ecp MTcp Rcp Mcp MI 17-23/09 Tcp MIt CMs FEU 24-30/09 4 DHC CMpp Mpc 01-07/10 5 Rpp PIM Ee Mpp 08-14/10 6 CMcp 10 de Octubre Epp 15-21/10 7 Tpp 22-28/10 8 29-04/11 9 05-11/11 10 12-18/11 11 19-25/11 12 Bastión Universit 26-02/12 13 Esr 03-09/12 14 10-16/12 15 17-23/12 16 EXAMEN FINAL 24-30/12 17 RECESO DOCENTE 31-06/01 18 07-13/01 19 14-20/01 20 EXÁMENES DE REVALORIZACIÓN

Evaluación Todos los seminarios y Clases prácticas serán evaluados. Se organizarán grupos de trabajo de 4 estudiantes. Las prácticas de Laboratorio tienen evaluación previa Dos cortes evaluativos (semanas 4 y 12) Prueba Final Oral

Tema I. Estructura de los materiales Objetivos Adquirir los conocimientos básicos de la estructura de los materiales, sus tipos de enlaces y principales características. Conocer fenómenos que en estos ocurren como son la solidificación y la difusión.

Conferencia 1 Tema I. Estructura de los materiales Sumario Estructura atómica. Tipos de enlace. Estructura cristalina. Clasificación de los materiales. Principales propiedades. Polimorfismo y alotropía. Callister, pp 1-65

Generalidades

El material constituye el sustrato de una función social determinada Necesidad Social Requerimientos Propiedades = El material constituye el sustrato de una función social determinada Implica una Responsabilidad social

Composición Química Historia Tecnologica Estructura Propiedades Costo

Composición Química Metales Cerámicas Polimeros

Obtención del material Obtención del Semiproducto Historia Tecnológica Obtención del material Obtención del Semiproducto Tratamiento del Material

Costo Fabril (Ciclo Completo) Costo Ecológico Costo Social

Por qué el estudio de la ciencia de los materiales es importante? La producción y el procesado de nuevos materiales para convertirlo en productos acabados constituyen una parte importante de nuestra economía global. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos manufacturados y los sistemas de procesos necesarios para su fabricación. Nuevos materiales son necesarios para nuevas aplicaciones

El modelo atómico de Bohr Polaridad del átomo

Enlace químico Los enlaces químicos entre átomos pueden dividirse en dos grupos: Enlaces atómicos primarios Iónicos Covalentes Metálicos Enlaces atómicos secundarios y moleculares Dipolo permanentes Fuerzas de Van der Waals Dipolo inducido

Enlace Iónico: Entre átomos de diferentes electronegatividades Cesión neta de electrones. Tendencia a configuración electrónica del gas noble correspondiente Formación de especies cargadas. Atracciones electrostáticas entre cargas. MUY FUERTE! Enlace NO LOCALIZADO. Existe en toda la red cristalina. Cada ión está rodeado de varios aniones: 4, 6, 8

Enlace covalente: Corresponden a fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por la compartición de electrones para formar un enlace con una dirección localizada

Enlace metálico: Involucran fuerzas interatómicas relativamente grandes mediante la compartición de electrones deslocalizados para formar un enlace fuerte no direccional entre los átomos

Enlaces de dipolo permanente: Corresponden a enlaces intermoleculares relativamente débiles que se forman entre moléculas que poseen dipolos permanentes. Un dipolo en una molécula existe debido a la asimetría en la distribución de su densidad electrónica. Este tipo de enlace aparece en el agua y los hidrocarburos

Enlace de dipolo instantáneo: Átomos con distribución asimétrica de densidades electrónicas en torno a su núcleo son susceptible de formar entre ellos enlace de dipolo eléctrico, se llama instantáneo debido a que la densidad electrónica está cambiando con el tiempo

Tipos de materiales Metales Polimeros Cerámicas Compuestos

Ceramicas Rigidez del enlace Metales Polimeros Fuerza del enlace

Las naves de exploración espacial son ejemplo de aplicación de diferentes materiales: polímeros, cerámicas, compuestos, semiconductores, metales

Materiales metálicos Son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no metálicos. Enlace metálico Se dividen normalmente en dos clases metales férreos (aceros y fundiciones) y metales no férreos( Al, Cu, Zn, Ti y Ni Estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada. Son buenos conductores eléctricos y térmicos. Muchos son relativamente resistentes y dúctiles a temperatura ambiente y otros mantienen alta resistencia, incluso, a elevadas temperaturas. Aplicaciones en Construcciones, Minería, transporte, Equipos pesados, Recipientes a presión

Polímeros Están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes. Estructuralmente la mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. Fundamentalmente Amorfa Enlace: Covalente más secundario La rigidez y ductilidad de los materiales poliméricos varía. Malos conductores de la electricidad. Bajas densidades y temperaturas de fluencia (ablandamiento) o descomposición relativamente bajas. Aplicaciones en Dispositivos eléctricos y electrónicos, aislantes, implantes quirúrgicos.

Cerámicos Son materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados químicamente (óxidos, carbonatos y nitratos ) Enlace: Covalente e iónico. Estructura Cristalina, amorfa o mezcla de ambas. Alta dureza, pero muy frágiles. Aislantes de la electricidad y el calor. Aplicaciones en Motores de alta temperaturas, ladrillos, tejas, muebles sanitarios, válvulas, asientos de válvulas, electrónica, implantes quirúrgicos.

Compuestos Son mezclas de dos o más materiales. La mayoría de ellos constan de un determinado material reforzante y una resina compatible aglomerante. Normalmente los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados físicamente gracias a la interfase entre los componentes. Existen muchas combinaciones diferentes de refuerzos y matrices que se pueden usar para producirlos. Un material compuesto moderno es la fibra de vidrio reforzada en matriz de poliéster o resina epoxi y las fibras de carbono en una matriz epoxídica. Aplicaciones en cascos, botes, cubiertas de autos, tanques de almacenamiento, industria deportiva, alas y motores de aviones.

¿Qué entendemos por sólido cristalino? Estructura de los materiales ¿Qué entendemos por sólido cristalino? Si los átomos o iones de un sólido están ordenados según un patrón que se repite en el espacio forman un sólido que se dice que posee estructura cristalina

Cada red espacial puede describirse especificando la posición de los átomos en una celda unidad repetitiva como se muestra en la siguiente figura:

Parámetros que caracterizan una red espacial Período de la red: Es la distancia entre dos átomos seguidos. Se mide en Angstrom. Indice de coordinación: Es el número de átomos que se encuentran a la misma y menor distancia de uno dado. Número de átomos por celda: Es el número de átomos correspondientes a una celda elemental. Grado de tetragonalidad: Es la relación entre las aristas c y a de la celda elemental. Factor de empaquetamiento: Es la relación entre el volumen de átomos en la celda unidad y el volumen de esta

Principales estructuras cristalinas metálicas La mayoría de metales puros cristalizan por solidificación en tres estructuras cristalinas compactas: Cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Cúbica centrada en las caras (FCC) Hexagonal compacta (HCP)

Red cúbica de cuerpo centrado: Como indica su nombre un átomo está en el centro de la estructura cúbica y es equidistante de los ocho átomos de las esquinas La relación entre la arista del cubo y el radio atómico es: a = 4R / √3 Número de coordinación es 8 Factor de empaquetamiento es 0,68

Red cúbica de caras centradas: En cada cara del cubo existe un átomo colocado en ella además de los ocho átomos de esquina. Existen 6 átomos centrados en las caras que se comparten entre esta celda y sus vecinas: La relación entre la arista del cubo y el radio atómico: a = 2R / √2 Número de coordinación es 12 Factor de empaquetamiento es 0.74

Red hexagonal compacta: Los átomos se hallan distribuidos en los vértices de un prisma hexagonal y en el centro de las bases del mismo, existiendo además otros tres átomos que se sitúan en los centros de los prismas: La relación entre la arista y el radio atómico es a = 2R La relación c/a = 1,633 El número de coordinación es 12 Factor de empaquetamiento es 0.74

¿Que entendemos por polimorfismo o alotropía? A la propiedad de algunos elementos de existir en más de una forma cristalina en diferentes condiciones de temperatura y presión. Si los cambios NO son reversibles se les llama polimorfismo, si son reversibles alotropía.

Estudio Individual Preparación del laboratorio Direcciones y Planos cristalográficos. Densidad del plano. Metodos de estudio de los materiales Callister , Guliaev Avner, H. Introducción a la Metalurgia Física