Ciencia de los materiales I

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Ciencia de los materiales (Primer departamental)
La ciencia de los materiales, a grandes rasgos, es la ciencia que es estudia y manipula la composición y la estructura de los materiales, para que la ingeniería convierta los materiales en dispositivos y estructuras útiles.
La resistencia es la máxima fuerza a la que puede someterse un metal antes de su rotura.
Las propiedades de los materiales son parte de un de un elemento o compuesto que hace el comportamiento característico ante estímulos externos.
La mecánica es la ciencia que describe y predice las condiciones de reposo a movimiento de los cuerpos bajo acción de fuerzas
La respuesta mecánica respuestas (de las propiedades mecánicas) en donde están involucradas el esfuerzo y la deformación 
Los materiales son sustancias ocupadas para un fin especifico 
El modulo de elasticidad es la relación ente el material y como se deforma (pendiente)
Los cristales son átomos en arreglos tridimensionales
Propiedades mecánicas de los materiales (EN TERMINOS GENERALES)
 (
Procesamiento
 
Manofactura
) (
Microestructura
CCC,CC,HC
Cristales 
Fases 
) (
Composicion quimica
Elemento
Compuesto 
)
 (
F
)Deformación
 (
Este es un ejemplo de 
compresión.
Si se acercan las fuerzas
 
(como en la imagen) es una 
compresión
 
Si se alejan dichas fuerzas,
 corresponde a una 
tensión 
o tracción
 
E
sto corresponde a un 
esfuerzo normal ingenieril
, que no es más que una 
carga aplicada a una probeta en un ensayo de tracción o compresión dividida por el área transversal de la probeta
Y su fórmula es 
) (
F
) (
lo
)
PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES (EN TERMINOS ESPECIFICOS)
En un ensayo de tensión (también conocido como tracción) van a haber dos propiedades importantes que pasaran: la primera será la deformación elástica. La deformación elástica regresa a su forma original y no tiene deformaciones permanentes; sin embargo, a medida que el material vaya adquiriendo una mayor deformación, sucederá el comportamiento plástico. El comportamiento plástico se deforma a hasta llegar a la fractura.
Algunas propiedades, comportamientos y pseudopropiedades a considerar
 (
Ductilidad
 
(propiedad)
Cuando bajo la accion de f
uerzas, 
pueden deformarse sin romperse
, 
obteniendo alambres o hilos
) (
Maleabilidad (propiedad)
Resistencia que opone un material
 
al tratar de ser rayado o penetrado por otro.
) (
Tenacidad (propiedad)
Capacidad de absorber energia
 
que 
tiene un material, ya sea por deformaciones o golpes
) (
Fragilidad (comportamiento)
Se rompen sin deformarse
 
plasticamente
) (
Dureza (pseudopropiedad)
Resistencia que opone un material
 
al tratar de ser rayado o penetrado por otro.
)
 (
Corresponde a la 
segunda deformacion
La 
pendiente
 no es 
constante
Despues de
 
Sy
, 
aparece Su 
(
falla en tensión
)
La 
resistencia en tensión Su
, es el 
esfuerzo que causa falla.
Es importante considerar esto, pues en la práctica, es el 
momento en donde al material le pasa un encuellamiento (estruccion),
 
y en ese momento es en donde 
aparece Su y Sy
) (
Fractura
) (
Sy
) (
Su
) (
Sy
) (
Resistencia
 (propiedad)
La 
resistencia
 es la 
máxima fuerza a la que puede someterse un metal antes de su rotura
.
Representado en el experimento de tracción 
Comportamiento elástico 
) (
Corresponde a la 
primera deformacion
La 
pendiente
 
sera
 
constante
Aparcera 
Sy
 (
Resistencia a la cedencia
)
La 
resistencia a la cedencia 
Sy
,
 es 
la primera deformación antes de alcanzar su punto mas alto
)
Materiales
 (
Materia
)
 (
Propiedades de los materiales
) (
Combinacion o mezcla
) (
Elementos quimicos
Compuestos
)
 (
Metálico
.
 
Nube de electrones
, estos se comparten de
 un lado al otro
)
Enlace quimico. 
CRISTALES
Considerar 
· La deformación plástica es anisotrópica (se compensa la deformación y no tiene control)
· La deformación metálica es isotrópica (se orienta la deformación al objeto)
· La fusión es el proceso por el cual un material en un estado ordenado pasa a un estado desordenado por aumento de temperatura.
· No hay estructura cristalina perfecta
Existen 3 defectos de red
· Puntuales (ocupa un nodo de red)
El defecto puntual es un sitio atómico en el que ha desaparecido el átomo que lo ocupaba.
Entre estos están
· Vacancia. Cuando debería de haber un átomo en una posición de la red, pero no lo hay.
· Átomo sustitucional. Cuando el átomo soluto ocupa una posición de la red cristalina del solvente
· Átomo intersticial. Cuando el átomo ocupa un lugar intersticial en la red
· Lineales → Aleaciones (n nodos consecutivos)
Concepto a considerar: Dislocación. Son los defectos que provocan una distorsión de la red centrada en torno a una línea
Deslizamiento. Movimiento de fricción entre dos superficies en contacto.
A través de esta se da la deformación plástica en la mayoría de los metales. Las dislocaciones son “líneas” donde se interrumpe el ordenamiento que lleva la red.
Existen dos:
· Dislocaciones de tornillo. Cambia de plano (plano inclinado)
Cuando aparece un solido
· Solucion sobresaturada (precipitacion)
· Si se enfría un sólido (solidificación) 
· Nucleación
· Dislocaciones de borde. No cambia de plano (plano recto o sea linea recta)
Es el resultado del movimiento de dislocaciones, o deslizamiento, en respuesta a un esfuerzo cortante aplicado.
· De superficie → Solidificación (en dos direcciones)
Los defectos de superficie son fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina, pero con orientaciones cristalográficas distintas.
Vamos a considerar dos
· Bordes de grano
Se refieren al limite que separa dos grandes granos grandes o cristales que tienen diferentes orientaciones. Un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico pero la orientación y estructura es diferente de otros grupos.
· Falla de apilamiento
Ocurren en los materiales FCC (Hierro gama, aluminio, cobre, níquel, plomo, plata, oro, platino.), representan un error de la secuencia de apilamiento de planos compactos
En este defecto se lleva a cabo dos cosas:
· Solidificación controlada
· Recristalización 
SOLIDIFICACION
Transformación de estado de agregación 
Liquido→ Solido → Por energía cinética 
Obedece a un cambio de energía 
· Energía interna. Es un reflejo de la energía a escala macroscópica. Es la suma de las energías cinéticas de los individuales que forman un cuerpo respecto al centro de masas 
· Energía libre. es el cambio en energía libre de un sistema que va de un estado inicial, como los reactivos, a un estado final, como los productos
Núcleos
· Crecimiento 
· Liquido remitente
· Contracción (liquido)
Ocurre en dos etapas
· Nucleación 
Formación de la primera cantidad estable de fase sólida, llamada núcleo o semilla, se conduce a una nueva fase termodinámica o a una estructura auto ensamblada.
La tensión superficial y el flujo de calor son los principales factores que determinan la nucleación 
Fase ≠ estado de agregación 
· Las fases son porciones homogéneas en un sistema de un sistema termodinámico
La etapa de la nucleación consume “mucha” energía por lo cual se busca siempre la manera de disminuir es “costo” mediante formación de núcleos sobre sustratos sólidos, dando lugar a dos tipos de nucleación 
Se produce como consecuencia de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogénea 
Se puede diferenciar por
· Nucleación homogénea 
Los núcleos se forman a partir del material del material que esta cristalizado, las propias cadenas de polímero forman los núcleos→ requiere mucha energía y se forma en el seno del fluido
· Nucleación heterogénea 
Los núcleos no están formados por el mismo material que esta cristalizado, sino que son impurezas o agentes de nucleación expresamente añadidos→ requiere poca energía y ocurre sobre un sustrato solido 
Crecimiento
Es el proceso en el que un cristal preexistente se hace mas grande a medida que se agregan más moléculas o iones en sus posiciones en la red cristalina o se desarrolla un cristal en una disolucióny se procesa un mayor crecimiento→ coalescencia de átomos o moléculas de los núcleos 
· Coalescencia. Proceso binario en el que dos burbujas de un gas o dos gotas de un líquido se fusionan para formar una sola burbuja o gota.
 (
Contraccion por solificacion 
)
 (
Zona columnar
. Se continua su 
crecimiento hacia el centro del lingote
) (
Zona equiaxial
.
 
Ocurre en todas direcciones por igual (“esfera”)
) (
Zona de chill
 (enfriamiento)
)
Lo que puede ocurrir en esta nucleación es la contracción por solidificación (se tiene que evitar o en si caso, cortar esa contracción)
La rapidez de la nucleación heterogénea siempre es mayor que la nucleación homogénea, bajo las mismas condiciones de enfriamiento.
Existen tres tipos de nucleación por crecimiento 
· Dendrítico: en direcciones especificas y determinadas por fenómenos de transporte y la estructura cristalina 
· Planar. Ocurre en la dirección de transferencia de calor
· Equaxial. Ocurre en todas direcciones por igual.
Borde de grano pequeños 
 (
↑ Resistencia 
↑ Bordes de grano
↓ Tamaño de grano
)
 (
↓ Resistencias
↓ Bordes de grano
↑ Tamaño de grano
)Bordes de granos grandes
MAYOR RAPIDEZ DE ENFRIAMIENTO ES IGUAL A MAYOR RAPIDEZ DE NUCLEAMIENTO Y MAYOR RAPIDEZ DE CRECIMIENTO
↑ Nucleación heterogénea
· Inoculación
· Proceso por el cual se agregan solidos en forma de partícula para que sirvan como sitos de nucleación heterogénea. Los requisitos son que no se fundan o se disuelvan y estén con un líquido.
 (
Modificacion del liquido 
) (
Si se modifica se puede hacer una nucleación
) (
Tension superficial
Viscosidad 
Temperatura
)
 (
El subenfriamiento desaperece
) (
Inoculacion 
) (
Un grano super fino, menor ductilidad 
)
 (
Donde haya más masa se 
tardará
 para enfriar
)
 (
Enfriamiento rapido 
)
Mecanismos de transferencia de calor
Solido a solido: Conducción. Conjunto de conductos dispuestos para el paso de algún fluido.
Solido a liquido: Convección. Calor transmitido en un líquido o en un gas como consecuencia del movimiento real de las partículas calentadas en su seno.
Liquido a liquido: Radiación. Emisión, propagación y transferencia de energía en cualquier medio en forma de ondas electromagnéticas o partículas.