01 Introduccion 2016

1.Introducción a la Ciencia
1.Introducción
e Ingeniería de los Materiales
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¿Que son los materiales?
• Materia: Aquello de que una cosa está hecha;
sustancia extensa, divisible, impenetrable e inerte,
susceptible de toda clase de formas
formas.
• Material: sustancia (elemento o, más comúnmente,
compuesto químico, aleación o mezcla) con alguna
propiedad útil para el hombre (mecánica, eléctrica,
óptica, térmica o magnética)
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Ciencia e Ingeniería de Materiales
•Ciencia de materiales:
materiales: Investiga las relaciones entre la
composición, la estructura, las propiedades y el desempeño
de los materiales basándose en la combinación de la Física
Física,
la Química y las Matemáticas.
Especial énfasis: relación existente entre su estructura íntima
y las propiedades de los materiales.
materiales.
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Ciencia e Ingeniería de Materiales
• Ingeniería de Materiales:
Materiales: Comprende el desarrollo de
aplicaciones útiles considerando el procesamiento de los
materiales, sus propiedades en relación a las exigencias,
p
de conservación y reciclado
su costo,, sus posibilidades
basándose en los conocimientos de la Ciencia de
Materiales.
• Selección de materiales (costo y desempeño)
• Posibilidades de utilización (rango) y propiedades
con el uso
• Creación de nuevos materiales
Especial énfasis: relación existente entre las propiedades de
los materiales y sus aplicaciones ingenieriles
ingenieriles..
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La clasificación clásica de los materiales
METALES
MATERIALES
COMPUESTOS
CERAMICOS
POLIMEROS
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Clasificación clásica de materiales
Materiales Metálicos
En general son usualmente resistentes
resistentes, pueden ser
conformados, poseen capacidad de deformarse
permanentemente, son buenos conductores de la
electricidad y el calor y opacos a la luz pero son brillantes si
están pulidos o recientemente cortados.
Ejemplos: aluminio, hierro, acero, plata, oro, cobre, bronce
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Clasificación clásica de materiales
Materiales cerámicos
En general tienen mejores propiedades químicas (más
estables), pueden tener elevadas resistencias pero son
frágiles (muy pequeñas deformaciones antes de romperse),
resisten altas temperaturas, son malos conductores de la
electricidad y el calor, pueden variar desde opacos a
transparentes, son moldeables. En general, son más
resistentes a la compresión que a la traccion.
Ejemplos: vidrio, porcelana, ladrillos, baldosas cerámicas,
muchos minerales
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Clasificación clásica de materiales
Materiales poliméricos (Plásticos)
Son livianos y en general se descomponen a temperaturas
moderadas (100 a 400°), son conformables, dúctiles
(soportan grandes deformaciones antes de romperse),
menos resistentes, mayor reactividad química.
Ejemplos:
j p
p
plásticos (p
(polietileno,nylon,
y
teflon, p
poliester)) y
caucho, tejidos animales, la celulosa, papel
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Clasificación clásica de materiales
Materiales compuestos
Preparados en base a 2 o más materiales básicos diferentes
para obtener propiedades que no se consiguen con ninguno
de los componentes en forma individual. Uno forma una
matriz continua y el otro proporciona relleno o refuerzo. Las
propiedades dependen de la matriz y el relleno.
Ejemplos: plásticos reforzados con fibra de vidrio,
fib
fibrocemento,
t hormigón,
h
i ó morteros
t
y revoques, madera
d
terciada y aglomerada, gomas enteladas (neumáticos)
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Los materiales y la humanidad
• El progreso del hombre está íntimamente ligado a la utilización de
materiales para su propio beneficio que le permitieran ganar
guerras, alimentarse, vestirse, cortar plantas y árboles, construir
viviendas, puentes, caminos, etc.
• Las etapas prehistóricas se relacionan a distintos materiales:
– Edad de Piedra (10000 años AC y más)
– Edad de Cobre (2500 años AC)
– Edad de Bronce (1500 años AC)
– Edad de Hierro (1200 años AC)
– Edad de plástico
– Edad del silicio (Hoy)
MATERIALES
TECNOLOGIA
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Los materiales más primitivos
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•
•
•
•
•
•
Homo Sapiens: destreza en el manejo de las piedras, la madera,
las fibras vegetales.
Cuernos y dientes de animales: puntas de lanza, arpones.
Piedras con roturas cortantes: sílex, obsidiana, pedernal.
Durante la rotura  chispas  fuego  cerámica (barro cocido)
Selección y molienda de minerales  color  pintura y
decoración.
Fibras  cestería y tejidos
Madera  cuencos y vasijas
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Los metales
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•
•
•
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•
Oxidos metálicos para decoración de cerámicas.
Metales  aparición natural en forma de óxidos, carbonatos y
sulfatos.
“Martillado” de oro y cobre (escaso).
Aparece el estaño  maleado con el cobre  bronce (2000
AC)  armas y utensilios. Intenso mercado de metales 
comunidades asentadas.
Aparición del hierro (1000 AC)  espada larga y cortante (arma
decisiva). Comparado al cobre y el estaño, el hierro es muy
abundante  facilidad de procesamiento  numerosos
productos baratos  cambio de la estructura sociosocio-económica.
Artes pirolíticas
pirolíticas:: uso del fuego (calor) para el tratamiento de los
metales  idea que se conserva hasta hoy
hoy.
Reducción por carbón: oxígeno de los minerales se combina con
el carbono y se obtiene el metal “puro”.
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Los Polímeros
• El hombre primitivo trabajó con proteínas,
celulosas, almidón, resinas obtenidos de
plantas y animales.
• Sin embargo,
embargo no tuvieron importancia hasta
épocas más recientes.
• Colón ((~1500
~1500 DC) observó un material muy
elástico e impermeable (caucho)
• Importancia estratégica del caucho:
– Popularización del automóvil en las primeras
decádas del siglo XX
– Consumo masivo durante la Segunda Guerra
Mundial  Caucho artificial
• Otro material de lujo: la seda
• Denominación común y genérica: Plásticos
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Clasificación de materiales
• Por funciones:
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–
Estructurales
Cerramiento
Recubrimiento
Estéticas
Conducción
Resistencia a agentes agresivos
Resistencia mecánica
• Por exigencias:
–
–
–
–
–
–
–
Capacidad para soportar cargas (estáticas y dinámicas)
Deformabilidad o estabilidad de forma
Constancia de volumen
Resistencia al medio ambiente
Aprovechamiento energético y reciclabilidad
Costo
Condiciones
• Aislantes
• Conductoras
• Culturales y estéticas
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Propiedades de los materiales
Propiedad de un material: respuesta frente a un efecto externo. Independientes de la
forma y el tamaño
– Químicas
• Vinculadas a su composición química (elementos componentes, proporciones)
– Físicas
• Vinculadas a la estructura y procesamiento del material (color, densidad, peso
específico,punto de fusión). Generalmente no se alteran por fuerzas que actúan
sobre el material.
– Mecánicas
• Vinculadas a su resistencia frente a la acción de fuerzas y presiones
– Eléctricas
• Vinculadas a su conductividad eléctrica y propiedades dieléctricas.
– Magnéticas
• Vinculadas a su respuesta en presencia de un campo magnético, capacidad de
magnetizarse (imán), orientación.
– Opticas
O ti
• Vinculadas a su respuesta frente a la acción de radiaciones, transparencia,
opacidad, indice de refracción, reflectividad, absorción, color.
– Térmicas
• Vinculadas a su respuesta frente al calor, conductividad térmica, poder aislante,
coeficiente de dilatación térmica.
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Propiedades mecánicas
Son las fundamentales en Ing. Civil aunque las restantes entran
en consideración.
• Resistencia: capacidad de los materiales de soportar pesos y
fuerzas sin romperse, fracturarse o agrietarse.
• Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para
recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el
esfuerzo que había determinado su deformación  Rigidez
• Dureza: capacidad de impedir la penetración de otros objetos, en
general en punta o a ser rayado.
• Tenacidad: propiedad que tienen ciertos materiales de absorber
cantidades importantes de energía antes de romperse. Capacidad
de soportar esfuerzos bruscos sin romperse.
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Propiedades mecánicas
• Ductilidad: Vinculadas a la capacidad de deformarse
plásticamente antes de romperse. Propiedad de estirarse,
torcerse o doblarse sin fisurarse ni romperse (Fragilidad)
(Fragilidad)..
• Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir
deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión
o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.
• Resistencia a la fatiga: Capacidad de soportar un gran
número de esfuerzos repetidos.
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