ciencia de materiales (curso 2004-5) · – dos clases presenciales por tema (t1, t2 y t3) ... –...
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Ciencia de Materiales I(curso 2005-6)
Dr. Miguel Ángel Arranz MongeDpto. Física Aplicada
Fac. CC. Químicas. UCLM
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Temario de la asignatura
1) Introducción a la Ciencia de Materiales. Tipos de materiales: clasificación y propiedades generales
2) Propiedades mecánicas en metales y métodos de obtención de los metales. Mecanismos macroscópicos de la deformación plástica
3) Transporte eléctrico en metales y semiconductores4) Diagramas de fases. Solidificación, defectos y difusión
en sólidos5) Propiedades magnéticas6) El acero
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Diseño de la asignatura (I)
• Clases presenciales– Horario: lunes y miércoles, 10:30 a 11:30– Presentaciones/explicaciones esquemáticas de la
asignatura– Dos clases presenciales por tema (T1, T2 y T3)– Examen tipo-test al término de cada tema– Material disponible en RedCampus/Web– Indicación de los puntos a desarrollar por el alumno
(seminarios). Máximo seis.
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Diseño de la asignatura (II)
• Seminarios– Trabajo del alumno. El profesor únicamente corrige, asesora o
evalúa las intervenciones
– 2 Seminarios por tema (tres grupos por seminario)
– 6 Grupos de entre 8 a 10 alumnos cada uno y compuestos por tres comisiones
– Intervenciones (cada grupo 20 min.)• Comisión A (exposición teórica 10 min.)• Comisión B (cuestiones teóricas 5 min.)• Comisión C (cuestiones/supuestos prácticos 5 min.)
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Diseño de la asignatura (III)
• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)
– Comisión A
• Un alumno elige y expone en el seminario alguno de los puntos seleccionados en clase por el profesor dentro de cada tema de la asignatura.
• En el turno de preguntas, otro alumno responde a las cuestiones teóricas de la comisión B de otro grupo (elegido al azar)
• La comisión A debe presentar al profesor un informe escrito de su exposición (material para el examen de la asignatura)
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Diseño de la asignatura (IV)• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)
– Comisión B
• Prepara una breve cuestión teórica para cada uno de los seis puntos propuestos por el profesor
• Realiza la pregunta y la discute con la comisión A correspondiente en el turno de preguntas
• Presenta por escrito al profesor un informe de las seis cuestiones con sus respuestas (material para el examen de la asignatura)
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Diseño de la asignatura (V)
• Seminarios (tareas de cada comisión en cada grupo)
– Comisión C
• Prepara y resuelve las seis cuestiones o supuestos prácticos propuestos por el profesor en clase
• Expone, explica y resuelve una de ellas (elegida al azar).
• Presenta por escrito al profesor un informe de las seis cuestiones con sus respuestas (material para el examen de la asignatura)
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Diseño de la asignatura (VI)
• Prácticas de laboratorio
– Enero (4 horas)
– Realización tutorizada y por grupos
– Prácticas en el laboratorio de investigación del Dpto. Física Aplicada
– Presentación de una breve memoria-informe
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Evaluación de la asignatura• Itinerario clásico (no participativo)
– Examen final obligatorio (100% nota)• Preguntas de desarrollo (explicadas en clase o de los seminarios)• Preguntas cortas (test)• Ejercicios-problemas largos
– Prácticas
• Itinerario nuevo (participativo)– Notas de participación en seminarios– Notas de los exámenes tipo-test– Prácticas– Examen final sólo optativo (o accesorio)
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Tema 1. Consideraciones generales
ÍNDICE
1) Definición de material2) Ciencia o Ingeniería de materiales3) Tipos de materiales4) Interrelación Estructura-Propiedades-Procesado en un material5) Uso actual de los diferentes materiales
• Diseño y selección• Competencia entre los distintos materiales
6) Tendencias futuras en el uso de los materiales7) Nuevos materiales
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Definición de material
Definición de “material”: substancia de la que cualquier cosa estácompuesta o hecha
Ejemplos habituales: madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel.
Importancia de la Ciencia de Materiales
Diseño y proceso de fabricación deproductos
Elección del material más adecuado (características, rentabilidad,…)
Desarrollo de su método de procesadoConocimiento de la estructura y propiedades de los materiales
Nuevos materiales y procesos de fabricación (ingeniería de materiales)
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Ingeniería y Ciencia de Materiales (I)• Ingeniería de diseño: crean nuevos productos/sistemas
– Uso de materiales ya conocidos– Uso de nuevos materiales (ej. Aviones supersónicos 12-25
Mach, aleaciones de Ti reforzadas con fibras de carburo de silicio)
• Ingeniería mecánica: uso de nuevos materiales en motores más eficientes
• Ingeniería eléctrica: uso de nuevos materiales para dispositivos electrónicos de alta velocidad de transmisión
• Ingeniería aeroespacial: uso de materiales con una relación resistencia/peso muy elevada
• Ingeniería química: uso de materiales resistentes a la corrosión¡Sólo son aplicaciones de los Materiales!
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Ingeniería y Ciencia de Materiales (II)
La Ciencia de Materiales estudia e investiga las propiedades, características y la estructura de los distintos materiales. Muestra a la Ingeniería dónde buscar el material adecuado a sus necesidades.
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Tipos de materiales (I)
• Metálicos (para desarrollar)– Tipo de substancia– Estructura cristalina– Propiedades físicas: conductividad eléctrica, térmica, etc…– Propiedades mecánicas: resistencia mecánica, ductilidad, etc…– Clasificación de los distintos materiales metálicos– Aplicaciones– Ejemplos gráficos
• Poliméricos (plásticos) (para desarrollar)• Cerámicos (para desarrollar)• Compuestos (“composites”) (para desarrollar)• Electrónicos (para desarrollar)
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Estructura-Propiedades-ProcesadoAspectos íntimamente conectados entre sí
El estudio de esta interrelación determina la elección del material
• Estructura del material (distintos niveles)– Atómica: carácterísticas (orbitales,…)– Cristalina: orden cristalino, empaquetamiento,…– Granular– Multifase
• Propiedades– Mecánicas: tipos e información obtenida– Físicas: tipos e información obtenida
• Técnicas de procesado (según material)– Calor: fundido, soldadura,…– Aplicación de fuerzas y forma: prensado, extrusión,…– Inyección
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Uso actual de los diferentes materiales(Diseño y selección)
A) Criterios para la elección de un material• Propiedades físicas y mecánicas adecuadas• Posibilidad de procesar o manufacturar el material fácilmente• Solución económica• No dañino para el medio ambiente
B) Efectos del entorno sobre el comportamiento del materialLa temperatura (altera las propiedades de los materiales)
- Los metales se funden o pierden parte de su propiedades- El tratamiento térmico es una técnica de reforzamiento- Los polímeros se deforman o se destruyen- Las bajas temperaturas pueden agrietar o romper el material
Acción de la atmósfera exterior (corrosión)-Reacción con el oxígeno u otros gases (sobre todo a alta temperatura)-Deterioro y ruptura prematura del material
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Material Tensión/m2
(A)Densidad (Mg/m3) (B)
A/B
Polietileno 7 0.83 8Al 45 2.7 17Al2O3 205 3.2 64Pegamento 100 1.4 71Aleación de Acero tratada térmicamente
1650 7.8 212
Aleación de Al tratada térmicamente
590 2.7 219
Compuesto de carbono-carbono
415 1.8 230
Compuesto de Kevlar-carbono
1170 4.4 266
Compuesto de carbono-pegamento
450 1.4 321
Aleación de Ti tratada térmicamente
550 1.4 393
1
2
3
4
5
6
A
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Material Resistencia a alta Temperatura
ManejabilidadMoldeado
Resistencia a la corrosión
Dureza/Fragilidad
Coste
Metales Media/ baja Alta Baja Alta MedioCerámicos Muy alta Muy baja Muy alta Muy baja BajoPolímeros Muy baja Muy alta Muy alta Diversa Varios
Eléctricos Propiedades eléctricas y ópticas únicas (electrónica y comunicaciones)
Compuestos Todo tipo de combinaciones en las propiedades físicas y mecánicas
B
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Ejemplo de selección de materialesBotellas para gases comprimidos (uso normal)• Materiales semiconductores
inapropiados en aplicaciones estructurales corrientes
• Los polímeros tienen una resistencia mecánica muy baja
• Los cerámicos son poco manejables (no dúctiles)
• Los materiales compuestos reforzados con fibras son muy resistentes pero muy costosos (sólo se eligen para una labor especial, bajo peso)
• Empleo de un metal
Aplicaciones aeroespaciales• Idem anterior.• Es prioritario el empleo de un material
resistente y poco pesado.• Se substituye el metal por un compuesto
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Competencia actual en el uso de los diferentes materiales
Factores de dependencia en su uso relativo
1. Coste2. Técnicas de
producción3. Material
específico
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Tendencias futuras en el uso de los materiales (I)
• Metálicos (medio-alto)– Su uso se mantiene o incluso aumenta– Nuevas técnicas de producción (granular, enfriamiento rápido)– Nuevas aleaciones (superaleaciones de Ni para alta temperatura,
aleaciones de Al y Ti). Industria aeroespacial• Cerámicos (bajo)
– Uso limitado por su dificultad de manejo (alta temperatura, componentes electrónicos
– Necesidad de nuevas técnicas de fabricación• Poliméricos (muy alto)
– Ya substituyen al vidrio, metal y papel (embalaje, construcción)– En el 2000 muchos plásticos habrán substituido a los metales (nylon,
resinas,…). Coste mucho menor.
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Tendencias futuras en el uso de los materiales (II)
• Compuestos (muy alto)– Principalmente plásticos reforzados con fibra (vidrio). Alto rendimiento y
resistencia.– Combinaciones fibra de vidrio-pegamento o grafito-pegamento se
emplean en aeronáutica o náutica.• Electrónicos (muy alto)
– Crecimiento espectacular desde 1970. Microelectrónica (chips de Silicio)
– Dispositivos electrónicos en la automatización de la vida cotidiana (robots)
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Algunos ejemplos de nuevos materiales• Aleaciones metálicas con memoria de forma (Ti-Ni, Ni-Mn-Ga),
aleaciones magnetoresistivas (Au-Cu), multicapas (Co-Cu, Gd-Co),…
• Cerámicos: materiales superconductores* (Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O) que transportan grandes cantidades de energía sin pérdida o disipación alguna
• Polímeros magnéticos (fulerenos, estructuras de carbono), polímeros “termointeligentes”
• Semiconductores magnéticos (dinámica y almacenamiento de “spines”, memoria FLASH)
• Compuestos: fluidos con partículas magnéticas recubiertas de polímero (medicina).
(*) para desarrollar