Ingeniería de Materiales Es la aplicación de principios de ciencia de materiales en el diseño de objetos o en el procesamiento de materiales. Trata con los materiales y sus propiedades.

Ingeniería de Materiales Los materiales son muy importantes en el desarrollo de la civilización humana. Desde la Prehistoria los materiales están asociados a los principales materiales en uso: Edad de Piedra, Edad de Bronce, Edad del Hierro, etc Con el tiempo los seres humanos descubrieron nuevos materiales y técnicas para producir materiales conocidos, con el fin de satisfacer sus necesidades. A partir de esto nace la Ingeniería de Materiales. Se podría decir que el Hombre ha aplicado la Ingeniería de Materiales a través de toda su Historia, usando y transformando materiales.

Ingeniería de Materiales Sin embargo, a lo largo de la mayor parte de la historia, la Ingeniería de Materiales se usó sin un cabal conocimiento de los mismos. Sólo desde hace unos 200 años, nace como disciplina científica, lo que llamamos la Ciencia de los Materiales. Si bien la Ciencia y la Ingeniería de los Materiales están interrelacionadas, conceptualmente no son lo mismo… Pregunta: ¿Cuál cree ud. que sería una diferencia entre Ciencia e Ingeniería de Materiales?

Ingeniería de Materiales La diferencia radica en que la Ciencia de Materiales se ocupa del estudio de la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por otro lado, la Ingeniería de Materiales se fundamenta en la relación Estructura-Propiedad y diseña la estructura de un material para conseguir un conjunto de propiedades.

Ingeniería de Materiales Problema que presenta en general la Ingeniería de Materiales: Realizar la elección del material más idóneo para un componente, entre una gama de miles de materiales disponibles hoy en día. Ahí entra en juego el disponer de las características del material, de acuerdo a la necesidad del componente. Pregunta ejemplo: ¿Qué características cree ud. que debiera tener el material del fuselaje externo del transbordador espacial para su reingreso a la atmósfera terrestre?

Ingeniería de Materiales Propiedades de los materiales. Todos los materiales de ingeniería se caracterizan por sus propiedades Su uso está determinado por las propiedades que presenten bajo condiciones de uso

Ingeniería de Materiales Estas propiedades están agrupadas en 6 grandes categorías: Propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas. La estructura de los materiales determina estas propiedades relevantes, estructura que se logra con procesos de transformación y determina su desempeño en uso.

Ingeniería de Materiales Estos conceptos están interrelacionados y componen la base de la ciencia de materiales Estructura Desempeño Proceso Propiedades

Ingeniería de Materiales Por qué estudiar las propiedades de los materiales? Porque existen miles de materiales y es casi imposible seleccionar un material para una tarea específica sin conocer sus propiedades. Existen varios criterios sobre los que se basa la elección final del material. Es muy raro que un material posea una óptima combinación de propiedades.

Metales Cerámicos Polímeros Clasificación de los Materiales. Los materiales pueden tener distintas clasificaciones, siendo la más conocida la que tiene relación con su estructura y enlaces atómicos. De acuerdo a esto último, se clasifican en: Metales Cerámicos Polímeros

Ingeniería de Materiales Metales. Normalmente son combinación de elementos metálicos Se caracteriza por tener un gran número de electrones deslocalizados, es decir, que no pertenecen a ningún átomo. Son buenos conductores del calor y la electricidad y son opacos a la luz visible. Son resistentes y a la vez deformables, lo que los hace buenos materiales estructurales.

Ingeniería de Materiales Cerámicos. Son una combinación de elementos metálicos y no metálicos. En gral. Son óxidos, nitruros y carburos. A esta categoría pertenecen por ejemplo el vidrio, la arcilla y el cemento. Son materiales aislantes térmicos y eléctricos, y tienen una mejor performance a altas temperaturas que los metales y los polímeros. (Ej. Ladrillos refractarios) Desde el punto de vista estructural, son duros y frágiles.

Ingeniería de Materiales Polímeros. Se les relaciona generalmente con los conocidos materiales plásticos, aunque estos últimos abarcan una parte de la gama de polímeros. Existen polímeros naturales, como la madera y el caucho. Estructuralmente, están formados por grandes cadenas orgánicas, entrelazadas entre sí. Al ser cadenas orgánicas(basadas en C e H), en general tienen baja densidad y gran flexibilidad, aunque la adición de ciertos elementos no metálicos en sus cadenas, les pueden conferir excelentes propiedades mecánicas.

Ingeniería de Materiales Otros materiales. Existen otras clasificaciones de materiales, como por materiales compuestos, que no son más que combinaciones de los materiales anteriormente mencionados. Un ejemplo de eso son los cascos de algunas embarcaciones menores, hechos de fibra de vidrio mezclada con resinas poliméricas. Otro material importante, por sus características eléctricas especiales, son los semiconductores, que tienen características tanto de conductores eléctricos como de aislantes. Son muy importantes en la industria de la electrónica, ya que son la base de sus circuitos.

Ingeniería de Materiales Otros materiales. En los últimos años, la necesidad de hacer componentes cada vez más pequeños y livianos ha dado paso a nuevos desarrollos de materiales, dando paso a la disciplina de la nanotecnología, esto es, materiales a escala de los nanómetros (nm)

Ciencia de Materiales Es la relación entre las propiedades de un objeto y su composición química y estructura atómica. Si se conocen los átomos y como están estructurados, es posible que las propiedades del material sea conocido cualitativamente y aun cuantitativamente. ANDREA FREDES EII 441-01

Ciencia de Materiales A continuación veremos conceptos básicos de ciencia de Materiales para comprender el comportamiento de los materiales. Se describirán conceptos desde lo más pequeño (átomo), hasta niveles que son visibles al ojo humano (macroestructura)

Estructura Es la forma en que están ordenados los átomos en un material. La estructura tiene diferentes escalas: Nuclear-> Núcleo: neutrones y protones Atómica->Estructura de electrones Cristalina->Es el arreglo tridimensional de átomos y moléculas. ANDREA FREDES EII 441-01

Átomos Son considerados la unidad fundamental de la naturaleza. Constan de un núcleo de protones (carga eléctrica positiva), neutrones (sin carga) y una periferia de electrones (carga negativa). El número de protones diferencia cada átomo en lo que se denominan los elementos químicos. Oficialmente, existen 104 elementos químicos.

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO Cada elemento químico está constituido por átomos. Cada átomo está formado por un núcleo central y 1 o más capas de electrones. Dentro del núcleo residen partículas subatómicas: protones (de carga +) neutrones (partículas del mismo peso, pero sin carga). EII 441-01 Andrea Fredes

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO PROTONES NUCLEO NEUTRONES ELECTRONES EII 441-01 Andrea Fredes

Los átomos grandes albergan a varias órbitas o capas de electrones. Los electrones giran alrededor del núcleo en regiones del espacio denominadas órbitas. Los átomos grandes albergan a varias órbitas o capas de electrones. el orbital más externo se llama la capa de valencia, porque determina cuantos enlaces puede formar un átomo EII 441-01 Andrea Fredes

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón. La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón. EII 441-01 Andrea Fredes

Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z. NUMERO MASICO E A NUMERO ATOMICO Z SIMBOLO DEL ELEMENTO EII 441-01 Andrea Fredes

igual al número total de La suma del número de protones + neutrones Número que es igual al número total de protones en el núcleo del átomo. Es característico de cada elemento químico y representa una propiedad fundamental del átomo: su carga nuclear. NUMERO MASICO E A NUMERO ATOMICO Z EII 441-01 Andrea Fredes

PARA EL ELEMENTO QUE CONTIENE Encuentre Neutrones =Numero de masa – Protones = 197-79=118 Numero atómico =Cantidad de protones en el núcleo = 79 Numero de masa = Suma Protones + Neutrones= 197 Cantidad de electrones= Cantidad de protones= 79 Por esto es átomo es eléctricamente neutro EII 441-01 Andrea Fredes

DE ACUERDO A LA INFORMACION ANTERIOR DIGA DE QUE ELEMENTO SE TRATA 79 p 118n En la tabla periódica encontramos esta información para cada elemento Los elementos se ubican en orden creciente de su numero atómico en la tabla periódica EII 441-01 Andrea Fredes

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El elemento de número atómico = 79 es 1 2 3 Au = oro 4 5 ¿En que grupo está el elemento? 6 7 ¿En que periodo está el elemento? Está en el periodo 6 , por tanto tiene 6 electrones en su ultima capa Está en el grupo IB por tanto es un metal de transición EII 441-01 Andrea Fredes

DESARROLLE EL SIGUIENTE EJERCICIO 28 Encuentre Numero atómico Numero de masa Cantidad de electrones Neutrones En que grupo y periodo esta el elemento 14 EII 441-01 Andrea Fredes

ISOTOPOS Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones. Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico. EII 441-01 Andrea Fredes

Número atómico es igual al número total de Todos los átomos de un elemento son idénticos en número atómico pero no en su masa atómica Veamos un ejemplo Todos los átomos de Carbono tienen 6 protones en el núcleo (Z=6), pero solo: El 98.89% de carbono natural tiene 6 neutrones en el núcleo A=12 Un 1.11% tiene 7 neutrones en el núcleo A= 13. Una cantidad aun menor 0.01% tiene 8 Neutrones A= 14 Número atómico es igual al número total de protones en el núcleo del átomo Masa atómica también peso atómico, es el promedio de las masa de los isotopos encontrados naturalmente de un elemento pesado de acuerdo con su abundancia Los isotopos de un elemento son átomos que tienen diferente número de neutrones y por tanto una masa atómica diferente. EII 441-01 Andrea Fredes

ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO El número de neutrones puede variar, lo que da lugar a isótopos con el mismo comportamiento químico pero distinta masa. El hidrógeno siempre tiene un protón en su núcleo, cuya carga está equilibrada por un electrón. EII 441-01 Andrea Fredes

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Isóbaros Son aquellos átomos que presentan igual número másico y distinto número atómico. Ej: 6C14 y 7N14 EII 441-01 Andrea Fredes

Isótonos Son átomos que presentan distinto número másico y distinto número atómico, pero tienen igual número de neutrones. Ej: 5B11 y 6C12 EII 441-01 Andrea Fredes

Números cuánticos. Número cuántico principal (n): Designa el nivel de energía. Puede asumir cualquier valor positivo: 1,2...hasta el infinito. Cada valor de n determina un nivel o capa en el átomo. El primer nivel es el de menor energía y los siguientes, cada vez más alejados del núcleo, tienen energías mayores. EII 441-01 Andrea Fredes

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Números cuánticos. Número cuántico secundario o azimutal (l): Designa la forma del orbital. Los valores permitidos de l son: 0, 1, 2, 3...(n-1) denotados por los símbolos s, p, d, f ... Respectivamente. Los valores de l correspondientes a un mismo valor de n se llaman subniveles. Número cuántico azimutal 1 2 3 4 Nombre del orbital s p d f g EII 441-01 Andrea Fredes

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Números cuánticos Número cuántico magnético (m): Define las orientaciones del orbital en el espacio. Comprende los valores entre +l y-l es decir puede tener los valores: -l, - l+1, ...0,+1,...,l –1,l. Si l= 0 (orbital s) m= 0 Si l= 1 (orbital p) m= -1, 0, +1 Si l=2 (orbital d) m= -2, -1,0, +1, +2. EII 441-01 Andrea Fredes

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Números Cuánticos Número cuántico de spin (s): Determina la orientación del giro del electrón frente a un cuerpo magnético. Puede tomar sólo los valores +1/2 ( ) ó –1/2 ( ). EII 441-01 Andrea Fredes

Giro del electrón EII 441-01 Andrea Fredes

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Configuración electrónica Los electrones se distribuyen alrededor del núcleo en los diferentes niveles y orbitales. Para saber como se ordenan se deben tener en cuenta las siguientes reglas: -Principio de exclusión de Pauli. -Regla de Hund. EII 441-01 Andrea Fredes

Principio de exclusión de Pauli: Dos electrones de un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales. Así en cada orbital sólo pueden haber dos electrones, uno con espín +1/2 y el otro –1/2. Los orbitales se llenan según sus energías relativas, empezando por los de menor energía. EII 441-01 Andrea Fredes

Regla de Hund Dos orbitales con los mismos números cuánticos n y l tienen la misma energía. Para llenarlos, primero se coloca un electrón en cada orbital; a continuación se llenan con el segundo electrón. EII 441-01 Andrea Fredes

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Enlaces La comprensión de muchas propiedades físicas de los materiales se basa en la comprensión de las fuerzas interatómicas que enlazan los átomos. Estas interacciones dependen mucho de la distancia y posicionamiento espacial entre átomos. Estas fuerzas pueden ser de atracción y repulsión (relacionadas con sus cargas eléctricas), y la resultante de la combinación de estas fuerzas, es la que determina el tipo de interacción entre átomos, en lo que se llama “enlace atómico”

Enlaces El siguiente gráfico, esquematiza la distancia a la que se encuentran los átomos de acuerdo a la suma de fuerza de atracción y repulsión, o también visto desde el prisma de un menor estado energético.

Enlaces En los sólidos existen tres tipos de enlaces: Enlaces iónicos: es el enlace conformado por un elemento metálico y un no metálico. Los electrones de valencia del metálico se acoplan con los electrones faltantes del no metálico, creando un compuesto con configuración de gas inerte. Un ejemplo clásico de enlace iónico es la sal común, el cloruro de sodio, NaCl

Enlaces Enlaces covalentes: estos enlaces se logran entre elementos que comparten electrones de valencia. Estos electrones se consideran de ambos átomos Este enlace aparece en sólidos elementales, como el carbono (diamante), silicio, algunos no metálicos (H2,Cl2, etc), o moléculas como las de naturaleza orgánica (CH4) y el agua (H2O)

Enlaces Enlaces metálicos: se presenta en metales y aleaciones. Los metales presentan uno, dos o a lo sumo tres electrones de valencia. Estos electrones circulan libremente a través de todo el metal. Conforman una “nube electrónica” Debido a esta circulación de electrones, son buenos conductores del calor y la electricidad.

Enlaces

Estructura cristalina Los materiales sólidos se pueden clasificar de acuerdo al arreglo existente entre sus átomos o iones. En algunos casos, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva y periódica a lo largo de muchas distancias atómicas, dando a lugar a lo que se conoce como “estructura cristalina”. Los metales, algunos cerámicos y algunos polímeros adquieren estas estructuras en condiciones normales de solidificación

Estructura cristalina De este ordenamiento dependen muchas propiedades de los sólidos cristalinos. El caso más analizado corresponde a la estructura de los metales, que poseen un ordenamiento atómico relativamente simple. El orden atómico de los sólidos cristalinos se puede reducir a un ordenamiento que se repite en el espacio, denominado “celda unitaria”.

Estructura cristalina La mayoría de los metales más corrientes, se dividen en tres estructuras cristalinas, a saber: Estructura cúbica centrada en las caras (Face Centered Cubic, FCC) Estructura cúbica centrada en el cuerpo (Body Centered Cubic, BCC) Estructura Hexagonal compacta (Hexagonal Close Packed, HCP)

Composición Química Es el porcentaje en peso de cada elemento presente en un material. Las propiedades de un material de puro carbón es diferente a uno de puro fierro. Un diamante se comporta diferente a un grafito aunque ambos tienen 100% átomos de carbón puro. Por qué?

Microstructure of Alumina Porcelain Body