introducción a la ciencia de materiales

Ciencia de Materiales. Introducción.
TEMA 1
CAPÍTULO 0 – INTRODUCCIÓN A LA
CIENCIA DE MATERIALES
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Ciencia de Materiales. Introducción.
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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.
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- 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.
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- 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.
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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.
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En Ciencia de Materiales nos centraremos básicamente en el estudio de la
estructura cristalina, la microestructura y, en un menor grado, de la
macroestructura.
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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
interrelacionadas.
delimite,
antes
al
contrario,
se
encuentran
Ciencia de Materiales. Introducción.
- Los
ingenieros,
conocimientos
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sea
cual
básicos
y
fuere
su
aplicados
especialidad,
sobre
los
deben
materiales
adquirir
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,
existentes, o los ya mejorados, para crear nuevos productos y sistemas.
los
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 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.
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- 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.
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- 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.
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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
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A) MATERIALES METÁLICOS
o Materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos como el
Fe, Al, Cu, etc. y, eventualmente elementos no metálicos como el C,
N2 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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- 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
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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.