CAPÍTULO 0 INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES

Transcripción

1 i TEMA 1 CAPÍTULO 0 INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE MATERIALES

2 ii Ciencia de Materiales - La Ciencia de Materiales puede definirse como aquella que se ocupa de la composición y estructura de los materiales y a la relación existente entre aquellas y sus propiedades. - Si se conoce que átomos están presentes en un material y cual es su ordenamiento dentro del mismo, podremos por tanto deducir cuales serán sus propiedades. - Por composición química de un material se entiende el porcentaje de cada elemento presente en el mismo.

3 iii - La influencia de la composición química en las propiedades de un material podremos entenderla de una manera intuitiva si comparamos las propiedades del Fe puro, por ejemplo, con las del oro. - La importancia de la estructura queda manifiesta si, por ejemplo, comparamos las propiedades del grafito y el diamante. - Ambos son carbono puro: o Grafito: átomos dispuestos en una red cristalina hexagonal. o Diamante: a en el segundo lo están en una red cubica.

4 iv - El concepto de estructura puede entenderse a distintos niveles: o Por estructura nuclear entendemos la composición del material en términos de protones y neutrones. o Un nivel superior lo constituye la estructura atómica definida como la disposición electrónica en los átomos y que determina las propiedades químicas del material. o La estructura cristalina nos indica el ordenamiento tridimensional de los átomos o moléculas.

5 v o La microestructura: la estructura de un material visible utilizando el microscopio óptico o electrónico, proporcinandonos información sobre los cristales individuales o granos, como normalmente se los denomina, su tamaño forma y orientación. Esta estructura es de excepcional importancia en Ciencia de Materiales. o La macroestructura se define como aquella que se aprecia con el ojo desnudo, o, a lo sumo, con ayuda de una lupa. La macroestructura tiene muchos aspectos comunes con la microestructura, pero a escala diferente.

6 vi En Ciencia de Materiales nos centraremos básicamente en el estudio de la estructura cristalina, la microestructura y, en un menor grado, de la macroestructura.

7 vii Ingeniería de Materiales - La Ciencia de materiales estudia los conocimientos básicos acerca de la composición, estructura y propiedades de los materiales. - La Ingeniería de Materiales tiene por objeto la aplicación de los conceptos básicos sobre los materiales, de modo que estos puedan ser convertidos en productos útiles a la ingeniería. - Ambas, Ciencia e Ingeniería de Materiales no están separadas por una frontera que las delimite, antes al contrario, se encuentran interrelacionadas.

8 viii - Los ingenieros, sea cual fuere su especialidad, deben adquirir conocimientos básicos y aplicados sobre los materiales pues, posteriormente los utilizarán en su practica profesional para desarrollar su trabajo de una forma eficaz. - Los Ingenieros de I+D trabajan para la creación de nuevos materiales o la mejora de los ya existentes. - Los Ingenieros de Diseño emplearan estos materiales nuevos, los existentes, o los ya mejorados, para crear nuevos productos y sistemas.

9 ix En ocasiones, son las exigencias de diseño las que impulsaran la investigación hacia el logro de materiales que satisfagan las demandas planteadas. La búsqueda de nuevos materiales no cesa nunca. - Los Ingenieros mecánicos demandan continuamente materiales capaces de soportar temperaturas más elevadas. - Los Ingenieros Eléctricos necesitan, en cambio, materiales que permitan dispositivos electrónicos capaces de operar a mayores velocidades y temperaturas.

10 x - Los Ingenieros Aeronáuticos tratan de lograr materiales con relaciones Resistencia-Peso mayores para sus aviones y vehículos espaciales. - Los Ingenieros Químicos requieren materiales mas resistentes a la corrosión. - Todas las ramas de la Ingeniería demandan más y más materiales que satisfagan sus necesidades, lo que conduce a la aparición continua de nuevos materiales.

11 xi - La competencia entre los distintos materiales para ocupar áreas de utilización no cesa, primando en ocasiones factores económicos. Basta la mejora de una técnica de procesado que abarate un material determinado para que su utilización, a expensas de otro, crezca considerablemente. En otros casos, en cambio, las exigencias tecnológicas nos impulsan a utilizar materiales caros inevitablemente, como ocurre en la industria aerospacial.

12 xii Tipos de Materiales Desde un punto de vista de la Ciencia de Materiales los materiales se agrupan dentro de los tres grupos siguientes: MATERIALES METÁLICOS MATERIALES POLIMÉRICOS MATERIALES CERÁMICOS Además de los tipos indicados suelen considerarse otros dos: MATERIALES COMPUESTOS MATERIALES ELECTRÓNICOS

13 xiii A) MATERIALES METÁLICOS o Materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos como el Fe, Al, Cu, etc. y, eventualmente elementos no metálicos como el C, N 2 y O 2. o Los metales tienen estructura cristalina (en la actualidad, mediante técnicas de solidificación rápida, se obtienen vidrios metálicos), son buenos conductores del calor y de la electricidad, son relativamente resistentes y dúctiles a temperatura ambiente y tienen un brillo característico denominado brillo metálico.

14 xiv o Los metales habitualmente no se utilizan puros sino combinados dando lugar a las aleaciones metálicas, cuyo objetivo es el mejorar las propiedades de los metales puros, o, en su caso, dotarles de otras nuevas. o Los metales y aleaciones suelen dividirse en: o metales y aleaciones férreas o y metales y aleaciones no férreas, según su constituyente principal sea el Fe o no.

15 xv B) MATERIALES POLIMÉRICOS - Materiales macromoleculares constituidos por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes. - La mayoría de los polímeros son amorfos si bien algunos tienen cierto grado de cristalinidad son regiones vítreas y cristalinas. - Son malos conductores del calor y de la electricidad y resistentes a la corrosión, de una forma general. - Son de baja densidad y poseen malas propiedades mecánicas. Su limitación mas importante es su comportamiento a temperaturas relativamente altas que los hace inutilizables por encima de 150 C.

16 xvi MATERIALES CERÁMICOS o Son materiales inorgánicos y generalmente cristalinos: constituidos por elementos metálicos y no metálicos. unidos por enlaces iónicos y covalentes. Duros y Resistentes. Por lo general, aislantes térmicos y eléctricos, si bien existen cerámicas superconductoras. Ligeros. Se comportan bien a temperaturas elevadas. Elevada fragilidad. Escasa fiabilidad.

17 xvii MATERIALES COMPUESTOS - Constituidos por dos o más materiales diferentes con objeto de conseguir con ello un material con propiedades intermedias. - Al constituyente más abundante se le denomina, generalmente, matriz o constituyente matriz, y al menos abundante refuerzo. - Por la naturaleza de la matriz se clasifican en Compuestos de matriz: Metálica Cerámica, y Poliédrica, con diferencia los mas abundantes. - Los refuerzos, según su aspecto, se clasificaran en: Fibras, Partículas y Whiskers.

18 xviii MATERIALES ELECTRÓNICOS - Son unos materiales de gran importancia actual constituidos básicamente por Si y que han posibilitado la fabricación de los robots y computadoras actuales.

19 xix PROCESADO Si bien el procesado de los materiales constituye el objeto de otras disciplinas, si conviene destacar que junto con la microestructura condiciona las propiedades de un componente, como puede verse reflejado en el diagrama siguiente: PROCESO ESTRUCTURA PROPIEDADES

20 xx - Procesado tiene por objeto la obtención de un componente a partir de un material determinado. - El procesado abarca un conjunto de técnicas, en su mayoría comunes a todos los materiales, si bien alguno de ellos requiere un procesado especifico

21 xxi SELECCION DE MATERIALES Los materiales, a la hora de diseñar un componente, presentan diferentes alternativas de entre las que debe seleccionarse como mas adecuada la que resulte de las consideraciones siguientes: Que material reúne las propiedades físicas y químicas mas adecuadas Que material puede ser procesado con la forma y dimensiones diseñadas Que material y proceso son los mas económicos El material y proceso que más se ajuste a las tres condiciones citadas será el que el ingeniero debe elegir.