EII_441_02

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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.
Ingeniería de Materiales
•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
•Sin
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
•La
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
•Problema 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
•Propiedades
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
•Estas
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
•Estos
conceptos están interrelacionados
componen la base de la ciencia de materiales
Estructura
Desempeño
Propiedades
Proceso
y
Ingeniería de Materiales
•Por
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.
•Clasificación
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
Ingeniería de Materiales
•Metales.
•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
•Cerámicos.
•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
•Polímeros.
•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
•Otros
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
•Otros
•En
materiales.
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)
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)
Estructura
•Es la forma en que están ordenados los
átomos en un material.
•La estructura tiene diferentes escalas:
• Nuclear->
protones
Núcleo: neutrones
y
• Atómica->Estructura de electrones
•Cristalina->Es
tridimensional
moléculas.
el
de
arreglo
átomos
y
Átomos
•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.
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).
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ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
PROTONES
NUCLEO
NEUTRONES
ELECTRONES
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
Los electrones giran alrededor
del núcleo en regiones del
espacio denominadas órbitas.


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
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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.
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

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.
NUMERO
ATOMICO
NUMERO
MASICO
A
Z
E
SIMBOLO DEL
ELEMENTO
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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.
La suma del número de
protones + neutrones
NUMERO
MASICO
A
NUMERO
ATOMICO
Z
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E
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PARA EL ELEMENTO QUE
CONTIENE
79 p
118n
Encuentre

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

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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
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
1
El elemento de
número
atómico = 79
es
2
3
Au = oro
4
5

6
¿En que grupo
está el elemento?
7

Está en el periodo 6 ,
por tanto tiene 6
electrones en su ultima
capa
Está en el grupo IB por
tanto es un metal de
transición
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¿En que periodo
está el elemento?
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DESARROLLE EL SIGUIENTE EJERCICIO
Encuentre





Numero atómico
Numero de masa
Cantidad de electrones
Neutrones
En que grupo y periodo
esta el elemento
28
14
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Si
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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.
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Todos los átomos de un elemento son idénticos en número
atómico pero no en su masa atómica
Veamos un ejemplo
Todos los átomos de Carbono tienen 6
protones en el núcleo (Z=6), pero solo:

Número atómico es
igual al número total
de
protones en el
núcleo del átomo
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
Los isotopos de un elemento son átomos que tienen
diferente número de neutrones y por tanto una masa
atómica diferente.
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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
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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.
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Isóbaros

Son aquellos átomos que presentan igual
número másico y distinto número
atómico.

Ej:
14 y
C
6
14
N
7
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Isótonos

Son átomos que presentan distinto
número másico y distinto número
atómico, pero tienen igual número de
neutrones.

Ej:
11 y
B
5
12
C
6
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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.
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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.
Número cuántico
azimutal
0
1
2
3
4
Nombre del
orbital
s
p
d
f
g
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40
Números cuánticos
Número cuántico magnético (m):
Define las orientaciones del orbital en el
espacio. Comprende los valores entre +l
y-l es decir puede tener los valores: -l, l+1, ...0,+1,...,l –1,l.
Si l= 0 (orbital s) m= 0
Si l= 1 (orbital p) m= -1, 0, +1
Si l=2 (orbital d) m= -2, -1,0, +1, +2.

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Números Cuánticos

Número cuántico de spin (s):
Determina la orientación del giro del
electrón frente a un cuerpo magnético.
Puede tomar sólo los valores +1/2 ( ) ó
–1/2 ( ).
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Giro del electrón
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Configuración electrónica
Los electrones se distribuyen alrededor
del núcleo en los diferentes niveles y
orbitales. Para saber como se ordenan se
deben tener en cuenta las siguientes
reglas:
-Principio de exclusión de Pauli.
-Regla de Hund.

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Principio de exclusión de Pauli:

Dos electrones de un mismo átomo no
pueden tener los cuatro números
cuánticos iguales. Así en cada orbital sólo
pueden haber dos electrones, uno con
espín +1/2 y el otro –1/2.
Los orbitales se llenan según sus energías
relativas, empezando por los de menor
energía.
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Regla de Hund

Dos orbitales con los mismos números
cuánticos n y l tienen la misma energía.
Para llenarlos, primero se coloca un
electrón en cada orbital; a continuación se
llenan con el segundo electrón.
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Enlaces
•La comprensión de muchas propiedades físicas de los
materiales se basa en la comprensión de las fuerzas
interatómicas que enlazan los átomos.
•Estas interacciones dependen mucho de la distancia y
posicionamiento espacial entre átomos.
•Estas fuerzas pueden ser de atracción y repulsión
(relacionadas con sus cargas eléctricas), y la resultante de
la combinación de estas fuerzas, es la que determina el
tipo de interacción entre átomos, en lo que se llama
“enlace atómico”
Enlaces
•El
siguiente
gráfico,
esquematiza la distancia a
la que se encuentran los
átomos de acuerdo a la
suma de fuerza de
atracción y repulsión, o
también visto desde el
prisma de un menor
estado energético.
Enlaces
•En los sólidos existen tres tipos de
enlaces:
•Enlaces iónicos: es el enlace
conformado por un elemento metálico y
un no metálico. Los electrones de
valencia del metálico se acoplan con los
electrones faltantes del no metálico,
creando un compuesto con
configuración de gas inerte.
•Un ejemplo clásico de enlace iónico es
la sal común, el cloruro de sodio, NaCl
Enlaces
•Enlaces covalentes: estos enlaces se
logran entre elementos que comparten
electrones de valencia.
•Estos electrones se consideran de ambos
átomos
•Este enlace aparece en sólidos elementales,
como el carbono (diamante), silicio, algunos
no metálicos (H2,Cl2, etc), o moléculas como
las de naturaleza orgánica (CH4) y el agua
(H2O)
Enlaces
•Enlaces metálicos: se presenta en
metales y aleaciones.
•Los metales presentan uno, dos o a lo
sumo tres electrones de valencia.
•Estos electrones circulan libremente a
través de todo el metal. Conforman
una “nube electrónica”
•Debido a esta circulación de
electrones, son buenos conductores
del calor y la electricidad.
Enlaces
Estructura cristalina
•Los materiales sólidos se pueden clasificar de
acuerdo al arreglo existente entre sus átomos o
iones.
•En algunos casos, los átomos se sitúan en una
disposición repetitiva y periódica a lo largo de
muchas distancias atómicas, dando a lugar a lo que se
conoce como “estructura cristalina”.
•Los metales, algunos cerámicos y algunos polímeros
adquieren estas estructuras en condiciones normales
de solidificación
Estructura cristalina
•De este ordenamiento dependen muchas
propiedades de los sólidos cristalinos.
•El caso más analizado corresponde a la
estructura de los metales, que poseen un
ordenamiento atómico relativamente
simple.
•El orden atómico de los sólidos
cristalinos se puede reducir a un
ordenamiento que se repite en el espacio,
denominado “celda unitaria”.
Estructura cristalina
•La mayoría de los metales más
corrientes, se dividen en tres estructuras
cristalinas, a saber:
•Estructura cúbica centrada en las caras
(Face Centered Cubic, FCC)
•Estructura cúbica centrada en el cuerpo
(Body Centered Cubic, BCC)
•Estructura Hexagonal compacta
(Hexagonal Close Packed, HCP)
Composición Química
•Es el porcentaje en peso de cada elemento
presente en un material.
•Las propiedades de un material de puro
carbón es diferente a uno de puro fierro.
•Un diamante se comporta diferente a un
grafito aunque ambos tienen 100% átomos de
carbón puro. Por qué?
Microstructure of Alumina Porcelain Body

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