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Ingeniería de materiales




Enviado por Pablo Turmero



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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.

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    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

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    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?

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    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.

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    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?

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    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

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    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.

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    Ingeniería de Materiales SubEstos conceptos están
    interrelacionados y componen la base de la ciencia de materiales
    Desempeño Propiedades Estructura Proceso

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    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

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    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

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    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

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    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

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    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

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    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

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    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

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    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.

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    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)

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    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

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    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

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    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).

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    EII 441-01 Andrea Fredes 21 ESTRUCTURA DEL ÁTOMO NUCLEO
    PROTONES NEUTRONES ELECTRONES

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    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.

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    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.

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    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

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    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

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    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

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    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

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    EII 441-01 Andrea Fredes 28

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    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

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    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

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    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.

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    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.

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    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.

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    EII 441-01 Andrea Fredes 34

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    Isóbaros Son aquellos átomos que presentan igual
    número másico y distinto número
    atómico. Ej: 6C14 y 7N14 EII 441-01 Andrea Fredes 35

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    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

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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. EII 441-01 Andrea Fredes 37

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    EII 441-01 Andrea Fredes 38

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    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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