Ciencia de Materiales I (curso ) Dr. Miguel Ángel Arranz Monge Dpto. Física Aplicada Fac. CC. Químicas. UCLM

Transcripción

1 Ciencia de Materiales I (curso ) Dr. Miguel Ángel Arranz Monge Dpto. Física Aplicada Fac. CC. Químicas. UCLM

2 Temario de la asignatura 1) Introducción a la Ciencia de Materiales. Tipos de materiales: clasificación y propiedades generales 2) Propiedades mecánicas en metales y métodos de obtención de los metales. Mecanismos macroscópicos de la deformación plástica 3) Transporte eléctrico en metales y semiconductores 4) Diagramas de fases. Solidificación, defectos y difusión en sólidos 5) Propiedades magnéticas 6) El acero 03/10/2005 2

3 Diseño de la asignatura (I) Clases presenciales Horario: lunes y miércoles, 10:30 a 11:30 Presentaciones/explicaciones esquemáticas de la asignatura Dos clases presenciales por tema (T1, T2 y T3) Examen tipo-test al término de cada tema Material disponible en RedCampus/Web Indicación de los puntos a desarrollar por el alumno (seminarios). Máximo seis. 03/10/2005 3

4 Diseño de la asignatura (II) Seminarios Trabajo del alumno. El profesor únicamente corrige, asesora o evalúa las intervenciones 2 Seminarios por tema (tres grupos por seminario) 6 Grupos de entre 8 a 10 alumnos cada uno y compuestos por tres comisiones Intervenciones (cada grupo 20 min.) Comisión A (exposición teórica 10 min.) Comisión B (cuestiones teóricas 5 min.) Comisión C (cuestiones/supuestos prácticos 5 min.) 03/10/2005 4

5 Diseño de la asignatura (III) Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo) Comisión A Un alumno elige y expone en el seminario alguno de los puntos seleccionados en clase por el profesor dentro de cada tema de la asignatura. En el turno de preguntas, otro alumno responde a las cuestiones teóricas de la comisión B de otro grupo (elegido al azar) La comisión A debe presentar al profesor un informe escrito de su exposición (material para el examen de la asignatura) 03/10/2005 5

6 Diseño de la asignatura (IV) Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo) Comisión B Prepara una breve cuestión teórica para cada uno de los seis puntos propuestos por el profesor Realiza la pregunta y la discute con la comisión A correspondiente en el turno de preguntas Presenta por escrito al profesor un informe de las seis cuestiones con sus respuestas (material para el examen de la asignatura) 03/10/2005 6

7 Diseño de la asignatura (V) Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo) Comisión C Prepara y resuelve las seis cuestiones o supuestos prácticos propuestos por el profesor en clase Expone, explica y resuelve una de ellas (elegida al azar). Presenta por escrito al profesor un informe de las seis cuestiones con sus respuestas (material para el examen de la asignatura) 03/10/2005 7

8 Diseño de la asignatura (VI) Prácticas de laboratorio Enero (4 horas) Realización tutorizada y por grupos Prácticas en el laboratorio de investigación del Dpto. Física Aplicada Presentación de una breve memoria-informe 03/10/2005 8

9 Evaluación de la asignatura Itinerario clásico (no participativo) Examen final obligatorio (100% nota) Preguntas de desarrollo (explicadas en clase o de los seminarios) Preguntas cortas (test) Ejercicios-problemas largos Prácticas Itinerario nuevo (participativo) Notas de participación en seminarios Notas de los exámenes tipo-test Prácticas Examen final sólo optativo (o accesorio) 03/10/2005 9

10 Tema 1. Consideraciones generales ÍNDICE 1) Definición de material 2) Ciencia o Ingeniería de materiales 3) Tipos de materiales 4) Interrelación Estructura-Propiedades-Procesado en un material 5) Uso actual de los diferentes materiales Diseño y selección Competencia entre los distintos materiales 6) Tendencias futuras en el uso de los materiales 7) Nuevos materiales 03/10/

11 Definición de material Definición de material : substancia de la que cualquier cosa está compuesta o hecha Ejemplos habituales: madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel. Importancia de la Ciencia de Materiales Conocimiento de la estructura y propiedades de los materiales Elección del material más adecuado (características, rentabilidad, ) Desarrollo de su método de procesado Nuevos materiales y procesos de fabricación (ingeniería de materiales) Diseño y proceso de fabricación de productos 03/10/

12 Ingeniería y Ciencia de Materiales (I) Ingeniería de diseño: crean nuevos productos/sistemas Uso de materiales ya conocidos Uso de nuevos materiales (ej. Aviones supersónicos Mach, aleaciones de Ti reforzadas con fibras de carburo de silicio) Ingeniería mecánica: uso de nuevos materiales en motores más eficientes Ingeniería eléctrica: uso de nuevos materiales para dispositivos electrónicos de alta velocidad de transmisión Ingeniería aeroespacial: uso de materiales con una relación resistencia/peso muy elevada Ingeniería química: uso de materiales resistentes a la corrosión Sólo son aplicaciones de los Materiales! 03/10/2005 Tema 1. Consideraciones generales 12

13 Ingeniería y Ciencia de Materiales (II) La Ciencia de Materiales estudia e investiga las propiedades, características y la estructura de los distintos materiales. Muestra a la Ingeniería dónde buscar el material adecuado a sus necesidades. 03/10/2005 Tema 1. Consideraciones generales 13

14 Tipos de materiales (I) Metálicos (para desarrollar) Tipo de substancia Estructura cristalina Propiedades físicas: conductividad eléctrica, térmica, etc Propiedades mecánicas: resistencia mecánica, ductilidad, etc Clasificación de los distintos materiales metálicos Aplicaciones Ejemplos gráficos Poliméricos (plásticos) (para desarrollar) Cerámicos (para desarrollar) Compuestos ( composites ) (para desarrollar) Electrónicos (para desarrollar) 03/10/2005 Tema 1. Consideraciones generales 14

15 Estructura-Propiedades-Procesado Aspectos íntimamente conectados entre sí El estudio de esta interrelación determina la elección del material Estructura del material (distintos niveles) Atómica: carácterísticas (orbitales, ) Cristalina: orden cristalino, empaquetamiento, Granular Multifase Propiedades Mecánicas: tipos e información obtenida Físicas: tipos e información obtenida Técnicas de procesado (según material) Calor: fundido, soldadura, Aplicación de fuerzas y forma: prensado, extrusión, Inyección 03/10/2005 Tema 1. Consideraciones generales 15

16 Uso actual de los diferentes materiales (Diseño y selección) A) Criterios para la elección de un material Propiedades físicas y mecánicas adecuadas Posibilidad de procesar o manufacturar el material fácilmente Solución económica No dañino para el medio ambiente B) Efectos del entorno sobre el comportamiento del material La temperatura (altera las propiedades de los materiales) - Los metales se funden o pierden parte de su propiedades - El tratamiento térmico es una técnica de reforzamiento - Los polímeros se deforman o se destruyen - Las bajas temperaturas pueden agrietar o romper el material Acción de la atmósfera exterior (corrosión) -Reacción con el oxígeno u otros gases (sobre todo a alta temperatura) -Deterioro y ruptura prematura del material 03/10/

17 A Material Tensión/m 2 (A) Densidad (Mg/m 3 ) (B) Polietileno Al Al 2 O Pegamento Aleación de Acero tratada térmicamente Aleación de Al tratada térmicamente Compuesto de carbonocarbono Compuesto de Kevlarcarbono Compuesto de carbonopegamento Aleación de Ti tratada térmicamente A/B /10/

18 Material Resistencia a alta Temperatura Manejabilidad Moldeado Resistencia a la corrosión Dureza/ Fragilidad Coste Metales Media/ baja Alta Baja Alta Medio Cerámicos Muy alta Muy baja Muy alta Muy baja Bajo Polímeros Muy baja Muy alta Muy alta Diversa Varios Eléctricos Compuestos Propiedades eléctricas y ópticas únicas (electrónica y comunicaciones) Todo tipo de combinaciones en las propiedades físicas y mecánicas B 03/10/

19 Ejemplo de selección de materiales Botellas para gases comprimidos (uso normal) Materiales semiconductores inapropiados en aplicaciones estructurales corrientes Los polímeros tienen una resistencia mecánica muy baja Los cerámicos son poco manejables (no dúctiles) Los materiales compuestos reforzados con fibras son muy resistentes pero muy costosos (sólo se eligen para una labor especial, bajo peso) Empleo de un metal Aplicaciones aeroespaciales Idem anterior. Es prioritario el empleo de un material resistente y poco pesado. Se substituye el metal por un compuesto 03/10/

20 Competencia actual en el uso de los diferentes materiales Factores de dependencia en su uso relativo 1. Coste 2. Técnicas de producción 3. Material específico 03/10/

21 Tendencias futuras en el uso de los materiales (I) Metálicos (medio-alto) Su uso se mantiene o incluso aumenta Nuevas técnicas de producción (granular, enfriamiento rápido) Nuevas aleaciones (superaleaciones de Ni para alta temperatura, aleaciones de Al y Ti). Industria aeroespacial Cerámicos (bajo) Uso limitado por su dificultad de manejo (alta temperatura, componentes electrónicos Necesidad de nuevas técnicas de fabricación Poliméricos (muy alto) Ya substituyen al vidrio, metal y papel (embalaje, construcción) En el 2000 muchos plásticos habrán substituido a los metales (nylon, resinas, ). Coste mucho menor. 03/10/

22 Tendencias futuras en el uso de los materiales (II) Compuestos (muy alto) Principalmente plásticos reforzados con fibra (vidrio). Alto rendimiento y resistencia. Combinaciones fibra de vidrio-pegamento o grafito-pegamento se emplean en aeronáutica o náutica. Electrónicos (muy alto) Crecimiento espectacular desde Microelectrónica (chips de Silicio) Dispositivos electrónicos en la automatización de la vida cotidiana (robots) 03/10/

23 Algunos ejemplos de nuevos materiales Aleaciones metálicas con memoria de forma (Ti-Ni, Ni-Mn-Ga), aleaciones magnetoresistivas (Au-Cu), multicapas (Co-Cu, Gd- Co), Cerámicos: materiales superconductores* (Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca- Cu-O) que transportan grandes cantidades de energía sin pérdida o disipación alguna Polímeros magnéticos (fulerenos, estructuras de carbono), polímeros termointeligentes Semiconductores magnéticos (dinámica y almacenamiento de spines, memoria FLASH) Compuestos: fluidos con partículas magnéticas recubiertas de polímero (medicina). (*) para desarrollar 03/10/