UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ FACULTAD DE CIENCIAS

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ
FACULTAD DE CIENCIAS
Av. Dr. Salvador Nava Mtz. S/N Zona Universitaria
Teléfono 826-24-91; www.fciencias.uaslp.mx
San Luis Potosí, S.L.P., México
FISICO-QUÍMICA DE NANOMATERIALES II APLICACIONES
Prerrequisito sugerido: FISICO-QUÍMICA DE NANOMATERIALES I
Modalidad: Teórico-práctica
Carga horaria: 5 horas/semana
Semestre:
Elaboró: Dr. Víctor H Méndez, Dr. Esteban Cruz, Dra. Adriana Gaona Couto.
Fecha: mayo de 2010
PROGRAMA
Presentación
Este curso tiene como idea general el estudiar a los diversos materiales a partir de la relación existente entre su
nanoestructura, procesamiento, propiedades y rendimiento. Se hace un énfasis especial, en los diferentes niveles de
estructura atómica, cristalina, granular y multifásica de los materiales de interés para la ingeniería, afectadas por las
dimensiones nanométricas del material.
Conjuntamente, los temas del curso permitirán abordar el contenido de cursos posteriores de Ciencia e Ingeniería
de materiales.
Objetivo general
Al estudiar el curso el alumno obtendrá las bases de la Ciencia e Ingeniería de Materiales con énfasis en la
interrelación entre su estructura, propiedades, procesamiento y rendimiento así como en su interdependencia con
otras ciencias, ingenierías y la industria. Se familiarizará con el análisis y diseño de diferentes tipos de materiales
como son: metales, polímeros, cerámicos, bio y nanomateriales, etc.
UNIDAD I. MATERIALES PARA INGENIERÍA (3 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES
El alumno reconocerá los diferentes tipos de materiales con base en características estructurales afectadas por las
dimensiones nanométricas y la importancia de la relación estructura-propiedades-procesamiento-rendimiento en un
material.
ORDEN TEMÁTICO.
1.1 El hombre, medio ambiente y los materiales nanométricos.
1.2 Bases de la Ciencia de Materiales.
1.3 Tipos de materiales en general y en dimensiones nanométricas.
1.3.a Metales y aleaciones.
1.3.b Cerámicos y vidrios.
1.3.c Polímeros.
1.3.d Compuestos.
1.3.e Semiconductores.
1.3.f Biomateriales
1.3.g Materiales avanzados.
1.3.h Nuevos materiales y nanotecnología.
1.4 Relación entre estructura y propiedades de un material.
1.5 Síntesis, procesamiento y rendimiento en servicio de los materiales.
UNIDAD II. ESTRUCTURA ATÓMICA Y ENLACE INTERATÓMICO (3 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
Después del estudio de esta unidad, el alumno describirá los modelos atómicos sobre el comportamiento de los
electrones en los átomos. Describirá los diferentes tipos de enlace presentes en los materiales.
ORDEN TEMÁTICO.
2.1 Conceptos fundamentales.
2.2 Microscopia de Tunelamiento de Barrido (STM): evidencia directa de los átomos.
2.3 Capacidad calorífica: evidencia indirecta de los átomos.
2.4 Electrones en sólidos: para magnetismo, ferromagnetismo, ferrofluidos, piezoelectricidad.
2.5 Enlace atómico en sólidos.
2.6 Orbitales Moleculares (OM).
2.6.1 Formación de un estado metálico.
2.6.2 Polietilenos y biomateriales.
UNIDAD III. ESTRUCTURA CRISTALINA (12 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno relacionará las propiedades de un material con su estructura cristalina. Así como, identificará las
diferencias significativas en las propiedades de materiales cristalinos y amorfos con la misma composición.
ORDEN TEMÁTICO.
2.1 Celdas unitarias.
2.2 Estructuras cristalinas.
2.2.1 Número de coordinación y factor de empaquetamiento atómico.
2.2.2 Densidad.
2.2.3 Polimorfismo y alotropía.
2.3 Sistemas cristalinos.
2.4 Puntos, direcciones y planos cristalográficos.
2.5 Cristales hexagonales e índices de Miller-Bravais.
2.6 Policristales nanométricos.
2.7 Anisotropía.
2.8 Determinación de la estructura cristalina por Difracción de Rayos-X.
2.9 Estudio de estructura de “clusters” por Microscopia Electrónica de Alta Resolución (TEM).
UNIDAD IV. IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS (10 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
Al final de la unidad el alumno describirá las imperfecciones presentes en los materiales y el papel que desempeñan
en el cambio en el comportamiento de los mismos. Manejará los fundamentos de una herramienta muy útil en el
estudio y caracterización de los materiales, esto es, el análisis microscópico.
ORDEN TEMÁTICO.
4.1 Defectos puntuales.
4.1.1 Vacancias y auto-intersticiales.
4.1.2 Impurezas en sólidos. Substitucionales e intersticiales.
4.1.3 Especificación de la composición de una aleación.
4.2 Defectos lineares. Dislocaciones de borde y de tornillo.
4.3 Defectos interfaciales.
4.3.1 Superficies externas.
4.3.2 Fronteras de grano.
4.3.4 Fallas de apilamiento, paredes de dominios magnéticos, etc.
4.4 Defectos de bulto.
4.5 Análisis Microscópico de materiales.
4.5.1 Macro y micro-estructura de un material.
4.5.2 Técnicas microscópicas.
4.5.2.1 Microscopia óptica.
4.5.2.2 Microscopia electrónica.
4.5.2.3.Microscopia de Sonda de Barrido
4.5.2.4 Determinación de la ASTM del Tamaño de Grano.
UNIDAD V. DIFUSIÓN. (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES
El alumno describirá los dos mecanismos de difusión en los materiales, así como distinguirá la difusión en estado
estacionario de la del estado no estacionario. Relacionará cada tipo de difusión a la cual se aplica cada una de las
dos ecuaciones de Fick. Finalmente, calculará el coeficiente de difusión para algunos materiales a una temperatura
específica, dadas las constantes de difusión apropiadas.
ORDEN TEMÁTICO.
5.1 El fenómeno de la difusión.
5.2 Mecanismos de difusión.
5.2.1 Difusión por vacancias.
5.2.2. Difusión intersticial.
5.3 Difusión en estado estacionario. Primera ley de Fick.
5.4 Difusión en estado no estacionario. Segunda ley de Fick.
5.5 Factores que afectan el coeficiente de difusión.
UNIDAD VI. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES. (10 horas).
OBJETIVO PARTICULAR
El alumno definirá el esfuerzo ingenieril, deformación ingenieril y razón de Poisson. Para una curva esfuerzodeformación dada, determinará el módulo de elasticidad, el esfuerzo de cedencia, el esfuerzo en tensión y el
porcentaje de elongación. Describirá las técnicas para determinar la dureza y reconocerá en que caso son usadas.
Describirá la forma en la cual las cartas de selección de materiales son empleadas.
ORDEN TEMÁTICO.
6.1 Conceptos de Esfuerzo y deformación.
6.2 Deformación elástica.
6.3 Propiedades elásticas de los materiales.
6.4 Deformación plástica.
6.5 Propiedades en tensión.
6.6 Dureza.
6.7 Variabilidad en las propiedades de los materiales.
6.8 Factores de seguridad y diseño.
6.9 Casos de estudio. Cartas de selección de materiales.
UNIDAD VII. DISLOCACIONES Y MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO. (10horas)
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno describirá el movimiento de las dislocaciones desde una perspectiva atómica, así como la ocurrencia de
la deformación plástica por dicho movimiento en respuesta a un esfuerzo de corte aplicado. Explicará los
mecanismos por los cuales se endurecen los metales y sus aleaciones.
ORDEN TEMÁTICO.
7.1 Dislocaciones y deformación plástica..
7.2 Sistemas de deslizamiento.
7.3 Deslizamiento en cristales simples.
7.4 Deformación plástica de materiales policristalinos.
7.5 Mecanismos de endurecimiento en metales.
7.5.1 Endurecimiento por reducción del tamaño de grano.
7.5.2 Endurecimiento por solución sólida.
7.5.3 Endurecimiento por deformación.
7.6 Recuperación, recristalización y crecimiento de grano.
UNIDAD VIII. FALLAS. (12 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
Al estudiar esta unidad el alumno describirá el mecanismo de propagación de una grieta para los modos de fractura
dúctil y frágil. Distinguirá entre el factor de intensidad de esfuerzo, tenacidad a la fractura y tenacidad a la fractura
por deformación plana. Describirá las dos técnicas de prueba de fractura por impacto. Determinará por un método
gráfico el tiempo de vida de fatiga y el esfuerzo a la fatiga.
ORDEN TEMÁTICO.
8.1 Fracturas dúctil y frágil.
8.2 Principios de mecánica de la fractura.
8.2.1 Concentración de esfuerzos.
8.2.2 Tenacidad a la fractura y tenacidad a la fractura por deformación plana.
8.2.3 Problemas de diseño.
8.3 Técnicas de prueba de fractura por impacto.
8.4 Fatiga y esfuerzos cíclicos.
8.5 Gráfica S-N (amplitud del esfuerzo-número de ciclos a la falla).
8.6 Iniciación y propagación de una grieta.
8.7 Factores que afectan la vida a la fatiga de un material.
8.8 Fluencia de un metal sometido a un esfuerzo estático.
8.9 Determinación de la razón de fluencia en estado-estacionario y tiempo de vida
a la ruptura.
8.10 Casos de estudio.
UNIDAD IX. DIAGRAMAS DE FASE. (10 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
Al estudiar esta unidad el alumno podrá esquematizar los diagramas de fase eutécticos e isomorfos simples, así
como, etiquetar sus diferentes regiones de fases y líneas de liquidus y solidus. Determinará, para un diagrama de
fases binario dado, que fases están presentes, su composición y fracción en masa. Localizará las temperaturas y
composiciones de las transformaciones de fase eutécticas, eutectoides, peritecticas, etc., escribiendo sus
reacciones correspondientes.
ORDEN TEMÁTICO.
9.1 Conceptos básicos.
9.1.1 Componente, soluto, solvente y sistema.
9.1.2. Límite de solubilidad.
9.1.3 Equilibrio de fases.
9.2 Interpretación de Diagramas de equilibrio de fases.
9.3 Fases presentes, composición y fracción en masa de las fases..
9.4 Transformaciones de fases (reacciones, composición y temperatura).
9.5 Desarrollo de la microestructura para diferentes aleaciones isomorfas y eutécticas.
9.6 Diagramas de equilibrio para sistemas de aleaciones con soluciones sólidas intermedias
9.7 Diagrama de fases y microconstituyentes del sistema Hierro-Carbono.
UNIDAD X. APLICACIONES. (5 horas).
OBJETIVOS PARTICULARES.
El alumno aplicará los conocimientos y competencias del curso para el estudio de un caso de interés (falla o éxito de
un material en servicio) o en un problema de diseño.
METODOLOGÍA DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE
Exposición teórica (profesor) seguida de aplicaciones y ejemplos. Trabajo fuera de clase y realización de mesas de
trabajo (alumnos). Se apoyará el curso con material audiovisual y prácticas de laboratorio.
CRITERIOS DE EVALUACION
De acuerdo al Reglamento de exámenes de la UASLP, la calificación final se obtiene del promedio de exámenes
parciales. La calificación de cada uno de los exámenes parciales se obtiene de la siguiente forma: examen escrito
(60 %), tareas, caso de estudio (o problema de diseño) (30 %) y participación en clase (10 %).
2. BIBLIOGRAFÍA
[1] Callister W. D. Jr., Materials Science and Engineering, Seventh Edition, John Wiley & Sons, Inc. (2007).
[2] Askeland Donald. R, Phulé Pradeep P., The Science and Engineering of Materials, Thomson-Engineering; fifth
edition (2006).
[3] Kenneth J. Klabunde, Ryan M. Richards, Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley Interscience , Second edition
(2009).