Ciencia de Materiales Abel Fumero Pérez (M33-34) afumero@mecanica.cujae.edu.cu 266 3844 Carlos Figueroa Hernández (M31-32) carlosrfh@tesla.cujae.edu.cu Dulce María Almora Valera (Laboratorios) dalmora@mecanica.cujae.edu.cu 266 3844

Ciencia de Materiales Textos Callister W. Materials Science and Engineering. An introduction Smith W. Ciencia e ingeniería de los materiales Askeland D. Ciencia e ingeniería de los materiales Avner .S Introducción a la metalurgia Física Guliaev A.P. Metalografía, (T1 y T2) Kamenichny, I. Heat Treatment. A Handbook.

Fondo de tiempo según temas y tipos de clases Conf C P. Lab. Sem Eval Horas I. Estructura de los materiales. 4 2   6 II. Comportamiento Mecánico de los materiales 2  III. Mecanismos de fortalecimiento de los materiales IV. Rotura  2 V. Diagramas de Fases 12 VI. Transformación de fases VII. Tratamientos Térmicos VIII. Aleaciones Metálicas 10 IX. Estructura y propiedades de los materiales cerámicos X. Estructura y propiedades de los polímeros. XI. Estructura y propiedades de los materiales compuestos Total 30 22 74

Evaluación Todos los seminarios y Clases prácticas serán evaluados. Se organizaran grupos de trabajo de 4 estudiantes Las prácticas de Laboratorio tienen entrega de informe que será evaluado. Dos pruebas evaluativas Preguntas escritas Dos cortes evaluativos 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 Introducción Estructura atómica. Configuración electrónica Tipos de enlace. Estructura cristalina. Clasificación de los materiales Direcciones y planos cristalográficos Polimorfismo y alotropía Callister, pp 1-65

Los avances de la civilización están históricamente asociados a los avances en el trabajo con los materiales.

¿Qué estudia la Ciencia de los Materiales? La Ciencia de Materiales se dedica a la investigación de la relación que existe entre la estructura y propiedades de los materiales.

¿Por qué el estudio de la ciencia de materiales es importante? Los ingenieros deberán tener conocimientos sobre la estructura interna y propiedades de los materiales , de modo que sean capaces de seleccionar el material más adecuado para cada aplicación y también de desarrollar los mejores métodos de procesamiento de estos.

Estructura atómica Modelos atómicos El modelo atómico de bohr

El movimiento de los electrones en los átomos es más complicado que el presentado por el modelo atómico de bohr Los principios y leyes que gobiernan el sistemas de entidades átomicas y subátomicas es conocido como mecánica cuántica

Bases de la mecánica cuántica Primer concepto fundamental: La sustancia tiene propiedades ondulatorias, es decir cada partícula tiene asociada una longitud de onda. Consecuencia: El tratamiento matemático del modelo debe contener ambos comportamientos. “Dualidad onda-corpúsculo”

Segundo concepto fundamental: “No es posible determinar simultáneamente la posición exacta y el momento de una partícula” ( principio de incertidumbre). Consecuencias: El tratamiento matemático del modelo no debe definir órbitas “Enfoque probabilístico”

La moderna teoría atómica establece que el movimiento de un electrón en torno a su núcleo y su energía están caracterizados por cuatro números cuánticos: principal n, secundario l, magnético ml y de spin ms De acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, dos electrones no pueden tener los cuatros números cuánticos iguales

Tipos de enlace Energía requerida para crear o romper un enlace

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

Na 1s2 2s2 2p6 3s1 Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 ê Enlace Iónico

Características del 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

Cerámicas Rigidez del enlace Metales Polímeros Fuerza del enlace

¿Qué entendemos por sólido cristalino? Estructura Cristalina ¿Qué entendemos por sólido cristalino? Al solidificar el material, los átomos se sitúan según un patrón tridimensional repetitivo, en el cual cada átomo está enlazado con su vecino más próximo

Estructura cristalina Estructuras cristalinas de elementos metálicos a 25ºC y 1atm Estructura cristalina Elemento Hexagonal compacta Be, Cd, Co, Mg, Ti, Zn Cúbica compacta Ag, Al, Au, Ca, Cu, Ni, Pb, Pt Cúbica centrada en el cuerpo Ba, Cr, Fe, W, alcalinos Cúbica-primitiva Po

Cúbica simple (sc) a r

Cúbica centrada en el cuerpo (bcc)

a c b

Celda cúbica centrada en ls caras (fcc)

a 4r

Hexagonal compacta (hc)

El conocimiento de la estructura cristalina de un sólido metálico permite calcular su densidad a través de la siguiente relación

Direcciones y planos cristalográficos Procedimiento empleado para determinar los índices de Miller de direcciones cristalográficas 1. Se ubica el vector deseado en el origen del sistema de coordenadas. 2. Se proyecta el mismo sobre los ejes coordenados 3. Estas proyecciones son multiplicadas o divididas por un factor común, para llevarlas al menor número entero posible. 4. Los tres índices son encerrados entre corchetes [uvw]

Direcciones cristalográficas en un sistema cúbico z y x z y x T [111] Origen o o [100] [110] R S z y x z y x [110] o N [210] M o 1/2

Procedimiento empleado para determinar los índices de Miller de planos cristalográficos El plano no debe estar en el origen de coordenadas, (si así fuera, seleccionar un nuevo origen) 1. Se determinan los interceptos del plano con cada eje, si es paralelo se toma infinito 2. Se toman los inversos de dichos interceptos 3.Se multiplican o dividen para obtener los números enteros más pequeños 4. Los tres índices son encerrados entre parentesis (hkl)

Posiciones del plano: (2/3,1/2,1/2) Un plano cúbico tiene los siguientes cortes con los ejes: x = 2/3, y = 1/2, z= ½. ¿Cuáles son los índices del plano? z y x 1/2 2/3 Cálculos Posiciones del plano: (2/3,1/2,1/2) Recíprocos del plano: (3/2,2,2) Índices de Miller: (3,4,4)

Densidades linear y planar Linear: Corresponde a la fracción de longitud de línea que es ocupado por atomos en una dirección cristalográfica particular, que pasa a través de los centros de los átomos. Planar: Es simplemente la fracción del área del plano cristalográfico que es ocupado por átomos; el plano tiene que pasar a través de los centros de los átomos

¿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. Ejemplos de lo anterior son el carbono y el hierro.

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