Ingeniería de Materiales Es la aplicación de
principios de ciencia de materiales en el diseño de
objetos o en el procesamiento de materiales. Trata con los
materiales y sus propiedades.
Los materiales son muy importantes en el desarrollo de la
civilización humana. Desde la Prehistoria los materiales
están asociados a los principales materiales en uso: Edad
de Piedra, Edad de Bronce, Edad del Hierro, etc Con el tiempo los
seres humanos descubrieron nuevos materiales y técnicas
para producir materiales conocidos, con el fin de satisfacer sus
necesidades. A partir de esto nace la Ingeniería de
Materiales. Se podría decir que el Hombre ha aplicado la
Ingeniería de Materiales a través de toda su
Historia, usando y transformando materiales. Ingeniería de
Materiales
Ingeniería de Materiales SubSin embargo, a lo largo de la
mayor parte de la historia, la Ingeniería de Materiales se
usó sin un cabal conocimiento de los mismos. Sólo
desde hace unos 200 años, nace como disciplina
científica, lo que llamamos la Ciencia de los Materiales.
Si bien la Ciencia y la Ingeniería de los Materiales
están interrelacionadas, conceptualmente no son lo
mismo… Pregunta: ¿Cuál cree ud. que
sería una diferencia entre Ciencia e Ingeniería de
Materiales?
Ingeniería de Materiales SubLa diferencia radica en que la
Ciencia de Materiales se ocupa del estudio de la relación
entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por otro
lado, la Ingeniería de Materiales se fundamenta en la
relación Estructura-Propiedad y diseña la
estructura de un material para conseguir un conjunto de
propiedades.
Ingeniería de Materiales SubProblema que presenta en
general la Ingeniería de Materiales: Realizar la
elección del material más idóneo para un
componente, entre una gama de miles de materiales disponibles hoy
en día. Ahí entra en juego el disponer de las
características del material, de acuerdo a la necesidad
del componente. Pregunta ejemplo: ¿Qué
características cree ud. que debiera tener el material del
fuselaje externo del transbordador espacial para su reingreso a
la atmósfera terrestre?
Ingeniería de Materiales SubPropiedades de los materiales.
Todos los materiales de ingeniería se caracterizan por sus
propiedades Su uso está determinado por las propiedades
que presenten bajo condiciones de uso
Ingeniería de Materiales SubEstas propiedades están
agrupadas en 6 grandes categorías: Propiedades
mecánicas, eléctricas, térmicas,
magnéticas, ópticas y químicas. La
estructura de los materiales determina estas propiedades
relevantes, estructura que se logra con procesos de
transformación y determina su desempeño en
uso.
Ingeniería de Materiales SubEstos conceptos están
interrelacionados y componen la base de la ciencia de materiales
Desempeño Propiedades Estructura Proceso
SubPor qué estudiar las propiedades de los materiales?
Porque existen miles de materiales y es casi imposible
seleccionar un material para una tarea específica sin
conocer sus propiedades. Existen varios criterios sobre los que
se basa la elección final del material. Es muy raro que un
material posea una óptima combinación de
propiedades. Ingeniería de Materiales
SubClasificación de los Materiales. Los materiales pueden
tener distintas clasificaciones, siendo la más conocida la
que tiene relación con su estructura y enlaces
atómicos. De acuerdo a esto último, se clasifican
en: Metales Cerámicos Polímeros
SubMetales. Normalmente son combinación de elementos
metálicos Se caracteriza por tener un gran número
de electrones deslocalizados, es decir, que no pertenecen a
ningún átomo. Son buenos conductores del calor y la
electricidad y son opacos a la luz visible. Son resistentes y a
la vez deformables, lo que los hace buenos materiales
estructurales. Ingeniería de Materiales
SubCerámicos. Son una combinación de elementos
metálicos y no metálicos. En gral. Son
óxidos, nitruros y carburos. A esta categoría
pertenecen por ejemplo el vidrio, la arcilla y el cemento. Son
materiales aislantes térmicos y eléctricos, y
tienen una mejor performance a altas temperaturas que los metales
y los polímeros. (Ej. Ladrillos refractarios) Desde el
punto de vista estructural, son duros y frágiles.
Ingeniería de Materiales
SubPolímeros. Se les relaciona generalmente con los
conocidos materiales plásticos, aunque estos
últimos abarcan una parte de la gama de polímeros.
Existen polímeros naturales, como la madera y el caucho.
Estructuralmente, están formados por grandes cadenas
orgánicas, entrelazadas entre sí. Al ser cadenas
orgánicas(basadas en C e H), en general tienen baja
densidad y gran flexibilidad, aunque la adición de ciertos
elementos no metálicos en sus cadenas, les pueden conferir
excelentes propiedades mecánicas. Ingeniería de
Materiales
SubOtros materiales. Existen otras clasificaciones de materiales,
como por materiales compuestos, que no son más que
combinaciones de los materiales anteriormente mencionados. Un
ejemplo de eso son los cascos de algunas embarcaciones menores,
hechos de fibra de vidrio mezclada con resinas
poliméricas. Otro material importante, por sus
características eléctricas especiales, son los
semiconductores, que tienen características tanto de
conductores eléctricos como de aislantes. Son muy
importantes en la industria de la electrónica, ya que son
la base de sus circuitos. Ingeniería de Materiales
SubOtros materiales. En los últimos años, la
necesidad de hacer componentes cada vez más
pequeños y livianos ha dado paso a nuevos desarrollos de
materiales, dando paso a la disciplina de la
nanotecnología, esto es, materiales a escala de los
nanómetros (nm) Ingeniería de Materiales
Ciencia de Materiales Es la relación entre las propiedades
de un objeto y su composición química y estructura
atómica. Si se conocen los átomos y como
están estructurados, es posible que las propiedades del
material sea conocido cualitativamente y aun
cuantitativamente.
Ciencia de Materiales A continuación veremos conceptos
básicos de ciencia de Materiales para comprender el
comportamiento de los materiales. Se describirán conceptos
desde lo más pequeño (átomo), hasta niveles
que son visibles al ojo humano (macroestructura)
Es la forma en que están ordenados los átomos en un
material. La estructura tiene diferentes escalas: Nuclear->
Núcleo: neutrones y protones Atómica->Estructura
de electrones Cristalina->Es el arreglo tridimensional de
átomos y moléculas. Estructura
Son considerados la unidad fundamental de la naturaleza. Constan
de un núcleo de protones (carga eléctrica
positiva), neutrones (sin carga) y una periferia de electrones
(carga negativa). El número de protones diferencia cada
átomo en lo que se denominan los elementos
químicos. Oficialmente, existen 104 elementos
químicos. Átomos
EII 441-01 Andrea Fredes 20 ESTRUCTURA DEL ÁTOMO Cada
elemento químico está constituido por
átomos. Cada átomo está formado por un
núcleo central y 1 o más capas de electrones.
Dentro del núcleo residen partículas
subatómicas: protones (de carga +) neutrones
(partículas del mismo peso, pero sin carga).
EII 441-01 Andrea Fredes 21 ESTRUCTURA DEL ÁTOMO NUCLEO
PROTONES NEUTRONES ELECTRONES
EII 441-01 Andrea Fredes 22 Los átomos grandes albergan a
varias órbitas o capas de electrones. el orbital
más externo se llama la capa de valencia, porque determina
cuantos enlaces puede formar un átomo Los electrones giran
alrededor del núcleo en regiones del espacio denominadas
órbitas.
EII 441-01 Andrea Fredes 23 En el átomo distinguimos dos
partes: el núcleo y la corteza El núcleo es la
parte central del átomo y contiene partículas con
carga positiva, los protones, y partículas que no poseen
carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La
masa de un protón es aproximadamente igual a la de un
neutrón. La corteza es la parte exterior del átomo.
En ella se encuentran los electrones, con carga negativa.
Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del
núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces
menor que la de un protón.
EII 441-01 Andrea Fredes 24 Todos los átomos de un
elemento químico tienen en el núcleo el mismo
número de protones. Este número, que caracteriza a
cada elemento y lo distingue de los demás, es el
número atómico y se representa con la letra Z.
SIMBOLO DEL ELEMENTO NUMERO ATOMICO NUMERO MASICO E A Z
NUMERO ATOMICO NUMERO MASICO La suma del número de
protones + neutrones Número que es igual al número
total de protones en el núcleo del átomo. Es
característico de cada elemento químico y
representa una propiedad fundamental del átomo: su carga
nuclear. E A Z EII 441-01 Andrea Fredes 25
EII 441-01 Andrea Fredes 26 PARA EL ELEMENTO QUE CONTIENE Numero
atómico =Cantidad de protones en el núcleo = 79
Numero de masa = Suma Protones + Neutrones= 197 Neutrones =Numero
de masa – Protones = 197-79=118 Cantidad de electrones=
Cantidad de protones= 79 Por esto es átomo es
eléctricamente neutro 79 p 118n Encuentre
EII 441-01 Andrea Fredes 27 DE ACUERDO A LA INFORMACION ANTERIOR
DIGA DE QUE ELEMENTO SE TRATA En la tabla periódica
encontramos esta información para cada elemento 79 p 118n
Los elementos se ubican en orden creciente de su numero
atómico en la tabla periódica
EII 441-01 Andrea Fredes 28
EII 441-01 Andrea Fredes 29 El elemento de número
atómico = 79 es ¿En que grupo está el
elemento? Au = oro Está en el grupo IB por tanto es un
metal de transición ¿En que periodo está el
elemento? 1 2 3 4 5 6 7 Está en el periodo 6 , por tanto
tiene 6 electrones en su ultima capa
EII 441-01 Andrea Fredes 30 DESARROLLE EL SIGUIENTE EJERCICIO
Numero atómico Numero de masa Cantidad de electrones
Neutrones En que grupo y periodo esta el elemento Si 28 14
Encuentre
EII 441-01 Andrea Fredes 31 ISOTOPOS Aunque todos los
átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el
mismo número atómico, pueden tener distinto
número de neutrones. Llamamos isótopos a las formas
atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su
número másico.
EII 441-01 Andrea Fredes 32 Veamos un ejemplo Todos los
átomos de Carbono tienen 6 protones en el núcleo
(Z=6), pero solo: El 98.89% de carbono natural tiene 6 neutrones
en el núcleo A=12 Un 1.11% tiene 7 neutrones en el
núcleo A= 13. Una cantidad aun menor 0.01% tiene 8
Neutrones A= 14 Todos los átomos de un elemento son
idénticos en número atómico pero no en su
masa atómica Número atómico es igual al
número total de protones en el núcleo del
átomo Masa atómica también peso
atómico, es el promedio de las masa de los isotopos
encontrados naturalmente de un elemento pesado de acuerdo con su
abundancia Los isotopos de un elemento son átomos que
tienen diferente número de neutrones y por tanto una masa
atómica diferente.
EII 441-01 Andrea Fredes 33 ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO
El número de neutrones puede variar, lo que da lugar a
isótopos con el mismo comportamiento químico pero
distinta masa. El hidrógeno siempre tiene un protón
en su núcleo, cuya carga está equilibrada por un
electrón.
EII 441-01 Andrea Fredes 34
Isóbaros Son aquellos átomos que presentan igual
número másico y distinto número
atómico. Ej: 6C14 y 7N14 EII 441-01 Andrea Fredes 35
Isótonos Son átomos que presentan distinto
número másico y distinto número
atómico, pero tienen igual número de neutrones. Ej:
5B11 y 6C12 EII 441-01 Andrea Fredes 36
Números cuánticos. Número cuántico
principal (n): Designa el nivel de energía. Puede asumir
cualquier valor positivo: 1,2…hasta el infinito. Cada valor de
n determina un nivel o capa en el átomo. El primer nivel
es el de menor energía y los siguientes, cada vez
más alejados del núcleo, tienen energías
mayores. EII 441-01 Andrea Fredes 37
EII 441-01 Andrea Fredes 38
Números cuánticos. Número cuántico
secundario o azimutal (l): Designa la forma del orbital. Los
valores permitidos de l son: 0, 1, 2, 3…(n-1) denotados por los
símbolos s, p, d, f … Respectivamente. Los valores de l
correspondientes a un mismo valor de n se llaman subniveles. EII
441-01 Andrea Fredes 39
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