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Desarrollo de los temas en Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Smith W.F W.F.. •Capítulo 1 . Introducción a los Materiales •Capítulo2 . Estructura Atómica •Capítulo3. Arreglo Atómico: Sección 3-1 a 3-3 •Capítulo4. Irregularidades del arreglo atómico: Sección 4-3 y 4.4 . • . - , •Capítulo8 . Fase y Diagrama de Fases: Sección 8-1 a 8-6 •Capítulo9 . Aleaciones en Ingeniería: Sección 9-1 a 9-3 12 -6 •Capítulo 12 . Corrosión: Sección 12-1, 12-2 y 12-5, 12-6 Otra Bibliografía Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales -Tomos -Tomos I y II. Callister W. Ciencia Ciencia e In eniería eniería de los Materi Materiales. ales. AskelandD.R. AskelandD.R. Fundamentos de Ciencia de Materiales. Guy A.G. Ciencia de Materiales para Ingeniería. KeyserC.A.
División Clásica de Materiales Estabi Estabilid lidad ad Térmic Térmicaa Frágilidad Dens De nsid idad ad medi mediaa Difí Difíci cill de fabr fabric icar ar
CERÁMICOS Síntesis de Nuevos Materiales: Híbridos y Compuestos
POL MEROS Alta Resistencia Mecánica. Conductores de electricidad Pobre resistencia a la oxidación corrosión. Densidad alta
Pobre resistencia al calor y a la oxidación Dens De nsid idad ad ba a Fácil de fabricar
Evolución tem oral de los materiales estructurales
Aceros de alta resistencia: Torre Taipei 101. La torre e mayor a tura e mun o (508 m) está construida con, al menos, cinco tipos diferentes de aceros. A part r e a p anta s o con aceros de alta resistencia.
Sílice: vidrios, piezas de vidrio o ladrillos refractarias usados a alta ,
Polímeros: En 1950 los primeros tubos plásticos fueron utilizados en la s r uc n e gas na ura domiciliaria. Plásticos utilizados: PVC, PP, PA y PE. ue e po mero que se mpuso por su durabilidad, tenacidad, bajo costo y facilidad de instalación
Qué se estudia de los Materiales? ESTRUCTURA
Desempeño de una pieza
Desempeño del material
PROCESAMIENTO
PROPIEDADES
Propiedades Básicas de Materiales Propiedades Mecánicas
Expansión Térmica
Generales , Costos
Cost/kg Cm, $/kg
Mecánicas Materiales Dúcti les
Límite Elástico, y
, n ó i s n e
Módulo Elástico, E Deformación,
ater a es r g es
, n ó i s n e
Resistencia (fractura) Tracción, ts
Módulo Elástico, E Deformación,
Rigidez:
3
Módulo Elástico, E, GPa
Resistencia: Fluencia y , MPa
n ó i c , a a c m r i o f m r e D T
Ex ansión: coef. de ex ansión 1/K Conducción: conductividad térmica k, W/m.K
, Temperatura, T
Conducción Térmica
Resistencia a la Fractura: resistencia a la racc n ts , a
Térmicas
Coeff.
x
T1 Area A / Q , r o l a C e d o u l F
To Q joules/sec
Conductividad , (T1 -T0)/x
Estructura Macro escala Micro estructura
Puente de acero
Fases ~50- 500 µm
Celda Unitaria
Criterios de desempeño
Resistencia Eficiencia Seguridad
Micro estructura
Granos cristalinos Nano estructura ~ . Precipitados ~3 – 100 nm
Durabilidad
Resistencia fluencia Fatiga Ductilidad
Estructura Molecular y Atómica
Nivel atómico 1 nm Nivel electrónico 0.010.001 nm. Estructura escala atómica ~1 – 10 nm
Módulo elástico
Como se unen los átomos
Afecta sustancialmente las propiedades finales de los materiales sólidos y por lo .
Estructura ATÓMICA Configuración electrónica
protones
neutrones
Uniones Químicas Primarias y Secundarias electrones Estructura atómica influye en la manera que están ligados los átomos en los materiales, lo que permite clasificarlos como materiales metálicos, cerámicos y poliméricos, estableciendo algunas conclusiones generales respecto a las propiedades mecánicas y al comportamiento físico de estas tres clases de materiales
La estructura electrónica de los átomos El número atómico: Es la propiedad más importante de un átomo pues controla
propiedades químicas
Hidrógeno
Carbono
1s1
1s22s22p2
propiedades físicas, tales como la conductividad eléctrica, comportamiento magnético, así como las características ópticas, térmicas y elásticas del material
Tabla periódica de Elementos Los elementos de cada columna de la tabla periódica pertenecen a la misma familia o grupo A las filas horizontales se les denomina período. Los elementos a lo largo de un período tienen propiedades que varían progresivamente a lo largo de la tabla Los elementos del mismo grupo o familia tienen propiedades físicas y químicas similares.
Grupos (= configuración electrónica externa)
Períodos (distintos número de capas)
Tamaños relativos de átomos e iones
Cada átomo puede ser considerado como una esfera con radio definido A medida se incrementa el número de capas electrónicas el tamaño crece ( hay excepciones) n un per o o e tama o sm nuye ( hay excepciones) La relación entre los tamaños atómicos es importante en aleaciones metálicas (controla los defectos cristalinos, la estructura de fases y los procesos de difusión y transformación de fases)
Generalmente aumenta t n e m u a e t n e m l a e n e G
Estructura electrónica y reactividad química
Las propiedades químicas de los elementos dependen principalmente de la reactividad de sus electrones más externos. Los átomos tienden a perder, ganar o compartir electrones para adquirir un conjunto de ocho electrones de valencia. (regla del octeto). Los más estables y menos reactivos son los gases nobles . concepto ayuda a comprender el comportamiento de los elementos en las uniones con otros. Los elementos electropositivos son metálicos y ceden electrones en las reacciones químicas para producir iones positivos o cationes. El número de electrones cedidos es indicado por un número de oxidación positivo Los elementos electronegativos son no metálicos y aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones negativos o aniones Metales Tienen electrones en niveles externos, tres o menos Forman cationes por pérdida de electrones enen a a e ec ronega v a
Tienen cuatro o más electrones en niveles externos Forman aniones por ganancia de electrones Tienen elevada electronegatividad
Tipos de Enlaces Atómicos y Moleculares Se forma un enlace primario cuando átomos con orbitales incompletos están en un estado inestable e interaccionan con otros átomos de manera controlada, tal que com arten o intercambian electrones entre ellos ara lo rar un estado estable de los orbitales incompletos,.
Enlaces primarios o fuertes IONICO COVALENTE METALICO
Enlace Atómico en Sólidos Fuerza de enlace y energía
ectan pr nc pa mente propiedades físicas
as
F = Fuerza atracción
r 0 separación en equilibrio Fuerza neta = 0= FR +FA
dos átomos muy cercanos
r separación entre átomos FR = Fuerza repulsiva
E = Ener ía re ulsión
r EA= Energía atracción
Temperatura de fusión
Depende de la Energía de N = nerg a ne a de Enlace
EN = EA + ER
N
r
N
r
Enlace metálico
Los metales tienen uno, dos o tres electrones de valencia El modelo asume ue estos electrones no están unidos a un átomo en particular en el sólido y tienen libertad de moverse en todo el cuerpo. El núcleo atómico y los demás electrones se los consideran como parte de iones que poseen una carga neta positiva El enlace metálico es no direccional. Los electrones de valencia actúan como pantalla minimizando la fuerza repulsivas electrostáticas que podrían generarse entre los iones. ango e energ a: mo mercur o a kJ/mol (Tungsteno). (Temperatura de fusión para mercurio y tungsteno –39 y 3410°C) Átomos de elementos metálicos enlazados
Átomo Sodio
Enlace iónico
Átomo Cloro
Se forma entre elementos muy electropositivos met cos y e ementos muy e ectronegat vos (no-metálicos) En el proceso de ionización los electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos ( se producen cationes y aniones) Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de atracción iones de carga opuesta
La magnitud del enlace es igual en todas direcciones alrededor del ión Para que los materiales sean estables, todos los iones positivos se rodean cercanamente con iones negativos (forma tridimensional) Los cerámicos presentan este tipo de uniones . Tienen temperaturas de fusión elevadas, elevada dureza, comportamiento mecánico frágil, aislantes eléctricos y térmicos. Estado Sólido Ordenado Cristalino
Enlace Covalente
Se forma entre átomos con pequeña diferencia de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica Los átomos unidos por enlace covalente comparten electrones externos. En enlaces sencillos, cada uno de los átomos contribuye con un electrón al enlace. Lo forman muchos elementos no-metálicos Ej. O2, F2 , N2 Electrón compartido del H
Electrón compartido del C
74 pm 37 pm 4
de hidrógeno no
Presente en materiales sólidos como: Ge, C, Si, Cuarzo y en las metálico moléculas de los materiales poliméricos rop e a es: por o genera enen poca uc a r g es y escasa con uc v a térmica y eléctrica (aislantes térmicos y eléctricos). Hay excepciones
•
Grafito
Láminas de carbonos unidos por enlaces covalentes arreglados en forma hexagonal. • Enlaces débiles secundarios (de Van der Waals entre láminas • Caracteríticas: alta resistencia a temperaturas elevadas, , térmica, fácil de conformar Usos: lubricante seco, electrodos, elementos calefactores, moldes para colada etc
Diamante Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otro. Es ópticamente transparente, es el material más duro conocido hasta el presente y durable Fibras, Nanotubos y fullerenos .
-
Enlaces Mixtos El enlace químico de átomos puede involucrar más de un tipo de enlace primario y también Enlaces primarios mixtos: iónico-covalente, metálico-covalente, metálico-iónico, covalente-metálico -2
O
Ej. silicatos
O-2
Si+4
O-2
O-2 Neosilicatos. Tetraedros Independientes. Unidos por cationes (Fe, Mg, Zr, Ca). Olivino= (Mg, Fe)2SiO4
Filosilicatos. Com arten tres oxí enos y forman hojas. Micas, arcillas. Biotita= K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2
partículas caolinita
ec os ca os. ompar en os oxígenos y forman estructuras tridimensionales
ordenadas Cuarzo (SiO2) desordenadas Feldespato (KAlSi3O8)
Enlaces secundarios o débiles
(de Van der Waals)
Enlaces secundarios que unen moléculas o grupos de moléculas mediante atracciones electrostáticas débiles 1000 veces menores a las de los enlaces primario (energía entre 2 y 40 kJ/mol). La fuerza motriz para el enlace secundario es la atracción de dipolos eléctricos presentes en los átomos o moléculas. Existen dos tipos principales: dipolos oscilantes y dipolos permanente
En las moléculas o átomos se producen por un distribución de carga asimétrica. Los dipolos interaccionan entre sí mediante fuerzas electrostáticas. Energía asociada a los enlaces
Dipolos oscilantes: 2 a 8 kJ/mol Dipolos permanentes: 10 a 40 kJ/mol Materiales que presentan este tipo de un n: p s cos y cer m cos Grafito
Láminas de carbonos unidos por enlaces covalentes arreglados en forma hexagonal. Enlaces secundarios de Van der Waals débiles entre láminas Características: alta resistencia a temperaturas elevadas, conductividad eléctrica y térmica , , conformar Usos: lubricante seco, electrodos, elementos calefactores, moldes para colada etc
+q
d
-q
Dipo o e éctrico q
Ej: PVC (Policloruro de vinilo)
