CONTENIDO BREVE. Introducción. Estructura de los materiales. Medición de las propiedades mecánicas. Metales. Polímeros

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Alejandra Ferreyra Pereyra
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1 CONTENIDO BREVE Introducción Estructura de los materiales Medición de las propiedades mecánicas Metales Polímeros Materiales cerámicos y de carbono Compuestos Materiales electrónicos y ópticos Biomateriales y materiales biológicos Ciencia de Materiales. Aplicaciones en Ingeniería - Newell ALFAOMEGA xv

3 CONTENIDO Introducción 2 1 POR QUÉ ESTUDIAR CIENCIA DE LOS MATERIALES? Generalidades de la Ciencia de los Materiales 4 QUÉ PROBLEMAS IMPACTAN LA SELECCIÓN DE LOS MATERIALES Y EL DISEÑO? Consideraciones de las propiedades para aplicaciones específicas Impacto de las propiedades de enlace de los materiales Cambios de las propiedades a través del tiempo Impacto de la economía en la toma de decisiones Sustentabilidad e ingeniería verde 18 QUÉ ELECCIONES ESTÁN DISPONIBLES? Clases de materiales 21 Estructura de los materiales 30 2 CÓMO ESTÁN ARREGLADOS LOS MATERIALES? Introducción Niveles de orden Parámetros de la red cristalina y factores de paquete atómico Estimaciones de densidad Planos cristalográficos Índices de Miller 43 CÓMO SE MIDEN LOS CRISTALES? Difracción de rayos X Microscopía 52 CÓMO SE FORMAN Y CRECEN LOS CRISTALES? Nucleación y crecimiento del grano 53 Ciencia de Materiales. Aplicaciones en Ingeniería - Newell ALFAOMEGA xvii

4 QUÉ TIPOS DE DEFECTOS SE PRESENTAN EN LOS CRISTALES? QUÉ AFECTAN? Defectos puntuales Dislocaciones Deslizamiento Trepado de la dislocación 59 QUÉ NUEVOS DESARROLLOS SE HAN LOGRADO CON LOS CRISTALES Y LAS ESTRUCTURAS DE LOS CRISTALES? Monocristales y nanocristales 60 3 Medición de las propiedades mecánicas 66 CÓMO SE MIDEN LAS PROPIEDADES? Normas ASTM 68 QUÉ PROPIEDADES SE PUEDEN MEDIR Y QUÉ INDICAN? Ensayo de tracción Ensayo de compresión Ensayo de plegado Ensayo de dureza Ensayo de fluencia Ensayo de impacto 84 SE OBTENDRÁ EL MISMO RESULTADO CADA VEZ QUE SE LLEVE A CABO UN ENSAYO ESPECÍFICO? Error y reproducibilidad en las mediciones 86 POR QUÉ LOS MATERIALES FALLAN BAJO TENSIÓN? Fracturas mecánicas 91 CÓMO CAMBIAN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS CON EL PASO DEL TIEMPO? Ensayo de fatiga Estudios de envejecimiento acelerado 96 xviii ALFAOMEGA Ciencia de Materiales. Aplicaciones en Ingeniería - Newell

5 Metales CÓMO TRABAJAR CON LOS METALES? Operaciones de conformado 106 QUÉ VENTAJAS OFRECEN LAS ALEACIONES? Aleaciones y diagramas de fase Acero al carbono Transiciones de fase Endurecimiento por edad (endurecimiento por precipitación) Cobre y sus aleaciones Aluminio y sus aleaciones 135 QUÉ LIMITANTES TIENEN LOS METALES? Corrosión 137 QUÉ LES SUCEDE A LOS METALES DESPUÉS DE SU VIDA COMERCIAL? Reciclaje de metales 141 Polímeros QUÉ SON LOS POLÍMEROS? Terminología de los polímeros Tipos de polímeros 153 CÓMO SE FORMAN LAS CADENAS DE POLÍMEROS? Polimerización por adición Polimerización por condensación Importancia de las distribuciones del peso molecular 165 QUÉ INFLUYE EN LAS PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS? Constitución Configuración 169 Ciencia de Materiales. Aplicaciones en Ingeniería - Newell ALFAOMEGA xix

6 5.8 Conformación Aditivos 176 CÓMO SE PROCESAN LOS POLÍMEROS EN PRODUCTOS COMERCIALES? Procesamiento de polímeros 177 QUÉ LES SUCEDE A LOS POLÍMEROS CUANDO SE DESECHAN? Reciclaje de polímeros Materiales cerámicos y de carbono 188 QUÉ SON LOS MATERIALES CERÁMICOS? Estructuras cristalinas en los cerámicos 190 CUÁLES SON LOS USOS INDUSTRIALES DE LOS CERÁMICOS? Abrasivos Vidrios Cementos Refractarios Productos estructurales de arcilla Cerámico blanco Cerámicos avanzados 212 QUÉ LES SUCEDE A LOS MATERIALES CERÁMICOS AL FINAL DE SUS VIDAS ÚTILES? Reciclaje de materiales cerámicos 213 EL GRAFITO ES UN POLÍMERO O UN CERÁMICO? Grafito 214 OTROS MATERIALES DE CARBONO OFRECEN PROPIEDADES INUSUALES? Diamante Fibras de carbono Fullerenos (buckyballs) y nanotubos de carbono 219 xx ALFAOMEGA Ciencia de Materiales. Aplicaciones en Ingeniería - Newell

7 Compuestos QUÉ SON LOS MATERIALES COMPUESTOS Y CÓMO SE HACEN? Clases de compuestos Compuestos reforzados con fibras Compuestos de partículas Compuestos laminares 242 QUÉ LES SUCEDE A LOS COMPUESTOS OBSOLETOS? Reciclaje de materiales compuestos 243 Materiales electrónicos y ópticos CÓMO FLUYEN LOS ELECTRONES A TRAVÉS DE LOS METALES? Conductividad en los metales Resistividad eléctrica 253 QUÉ SUCEDE CUANDO NO HAY ELECTRONES LIBRES? Aislantes Semiconducción intrínseca Semiconducción extrínseca 256 CÓMO OPERAN LOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS? Diodos Transistores Circuitos integrados Comportamiento dieléctrico y condensadores 261 QUÉ OTROS COMPORTAMIENTOS ELÉCTRICOS DESPLIEGAN ALGUNOS MATERIALES? Materiales ferroeléctricos y piezoeléctricos 262 Ciencia de Materiales. Aplicaciones en Ingeniería - Newell ALFAOMEGA xxi

8 xxii Ciencia de Materiales. Aplicaciones en Ingeniería QUÉ SON LAS PROPIEDADES ÓPTICAS Y POR QUÉ IMPORTAN? Propiedades ópticas Aplicaciones de materiales ópticos Biomateriales y materiales biológicos 272 QUÉ CLASES DE MATERIALES INTERACTÚAN CON LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS? Biomateriales, materiales biológicos y biocompatibilidad 274 QUÉ MATERIALES BIOLÓGICOS PROPORCIONAN SOPORTE ESTRUCTURAL Y QUÉ BIOMATERIALES INTERACTÚAN CON ELLOS O LOS REEMPLAZAN? Materiales biológicos y biomateriales estructurales 275 QUÉ BIOMATERIALES HACEN UNA FUNCIÓN NO ESTRUCTURAL EN EL CUERPO? Biomateriales funcionales 285 CUÁLES CUESTIONES ÉTICAS SON ÚNICAS PARA LOS BIOMATERIALES? Ética y biomateriales 294 APÉNDICE A: PRINCIPALES PRODUCTORES DE METALES Y POLÍMEROS 299 APÉNDICE B: PROPIEDADES DE LOS PRINCIPALES METALES Y ALEACIONES 303 APÉNDICE C: PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS COMUNES EXPLICACIÓN DE LOS SÍMBOLOS INUSUALES EN QUÍMICA 309 GLOSARIO 311 ÍNDICE 331 xxii ALFAOMEGA Ciencia de Materiales. Aplicaciones en Ingeniería - Newell

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