OBJETIVOS DEL CURSO• Conocer los conceptos fundamentales de la Ingeniería de losmateriales.• Establecer la diferencia entr...
Todo comenzó hace unos 2,6 millones deaños, cuando un antecesor nuestro, elAustralophitecus y unos 200000 años mástarde el...
La habilidad del hombre delpaleolítico para producir distintostipos de instrumentos puntiagudos ofilosos queda en evidenci...
Cerc. OrienteEuropaChinaAmérica SAmérica N0% 20% 40% 60% 80% 100%PiedraCobreBronceHierroSilicio9000 AdC 0 2000 DdC2.500.00...
Entre los primeros indiciosde producción de cobre seencuentran los de laCivilización del Valle delIndo, actualmentePakistá...
El 19 de Setiembre de 1991,dos turistas alemanesencontraron un cuerpohumano en un glaciar, en ellímite entre Austria e Ita...
El cabello de Ötzi contenía partículasde cobre y de arsénico, lo que hacesuponer que había participado entareas de producc...
Dejemos ahora a Ötzi y la edad del cobre,para ir a la zona del Valle del Indo. Loshabitantes del lugar, después deaproxima...
El bronce demostró así sermucho más conveniente que elcobre, por lo que en el uso paraarmas y aplicaciones similaresdespla...
Los minerales de cobreno son muy abundantesen la naturaleza, por loque resultaba imposibleencarar construccionesque requir...
El Acueducto de Segovia es la obra de ingeniería civil romana más importantede España y es uno de los monumentos más signi...
La necesidad de recurrir a diseños aptos para evitar la fractura no es unconcepto nuevo. Un recurso utilizado hasta fines ...
Antiguo horno para producir arrabiofundido, posterior al siglo XIV d.C.Luego de la edad del bronce, elsiguiente cambio lo ...
Máquina de vapor construida en HierroEl uso del hierro, debido asu abundancia, encontróusos que no se habíanpensado con lo...
Primer puente de hierro fundido. Fue construido sobre elrío Severn, en Coalbrookdale, Inglaterra, en 1779.Este materialcom...
El 95,45 % del peso de los metales producidos en la actualidad corresponde alhierro y acero. El peso de todos los otros me...
El operario no podríamanipular un tubo decobre que estuviera encontacto con vidriofundido.El uso del hierro permitiódesarr...
Perfumero de VidrioEgipto - Aprox. 1350 A.de C.Hasta ese momento los recipientesde vidrio se elaboraban con bandasde vidri...
En épocas recientes, un metal que influyómucho en las actividades del hombre fue elaluminio.Pese a que los minerales de al...
La situación del aluminio cambiótotalmente en 1886, cuando en formaindependiente un americano y unfrancés desarrollaron un...
Más tarde permitió la construcción de los aviones comerciales que estamosacostumbrados a ver en la actualidad. El uso del ...
Utilización hecha por el hombre de los materiales a travésdel tiempo, desde la prehistoria hasta nuestros días
Los elementos predominantemente metálicos son los que ocupan la parteizquierda de la tabla periódica como se muestra a con...
Los polímeros comerciales son compuestos de los elementos que se señalanen la Tabla Periódica, es decir H, C, N, O, F y Si
Los cerámicos son combinaciones de uno o más elementos metálicos con unoo más de los elementos C, N, O, P y S
covalentesemiconductorespolímerosmetálicometalessecundarioCerámicos y vidriosiónico
ENLACE IONICOFormación del compuestoiónico NaCl a partir de latransferencia de un electrónde la capa externa de Na a ladel...
ENLACE COVALENTEEste enlace se produceentre elementos que seencuentran cercanos en laTabla Periódica.En el enlace covalent...
ENLACE METALICOEl enlace metálico puedeconsiderarse como una variantedel enlace covalente en el quelos electrones comparti...
Un ejemplo particularmente importantede este tipo de enlace es el llamado“puente de hidrógeno” que esresponsable de la rel...
CLASES DEMATERIALESMETALESPOLIMEROSCERAMICOS VIDRIOSCOMPUESTOS
Veamos la contribución de los distintos materiales en algo familiarpara todos como lo es una cocina moderna.¿Que ocurre si...
Este es el resultado ¿Qué ocurre si ahora eliminamos loscerámicos...?
¿Qué nos queda si eliminamos ahora los objetos de plástico másobvios?
Eliminemos ahora completamente los polímeros...
Finalmente hemos eliminado todos los polímeros y nosqueda ....
Hasta los años ‟50, la metalurgiase había desarrollado en formaempírica, esencialmente porprueba y error, con poca oningun...
Fue recién a partir de los años „50 queempieza a producirse el matrimonio entre laFísica y la metalurgia tradicional dando...
El término estructura, aplicado a un material,debe entenderse aquí algo así como la“arquitectura” en distintas escalas ded...
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La imagen muestra undelgado film vítreo(amorfo) entre dosgranos de Nitruro deSilicio (SiN). Se revelala presencia de átomo...
El microscopio de fuerza atómica(AFM, de sus siglas en inglésAtomic Force Microscope) es uninstrumento mecánico-óptico cap...
Si seguimos avanzando en el nivel de resolución con que podemos observar alos materiales, llegamos finalmente a la estruct...
La estéreo-especificidad de losenlaces covalentes determina el tipode estructura. Los enlaces iónicos,por tener su origen ...
Algunos compuestos, P.Ej. los polímeros,pueden formar cristales “moleculares”. Lospolímeros forman un estructura cristalin...
En los vidrios(amorfos) y en loscerámicos(cristalinos), eltetrahedro desílice SiO44- es unaunidadestructural muyimportante...
Modelo deesferas de lasílice amorfa SiO2Las esferas rojasrepresentan losátomos deoxígeno y lasamarillas los desilicio.
Las propiedades mecánicas,por ejemplo, estándirectamente relacionadascon la estructura delmaterial a nivel atómico.Un cris...
Diversos tipos de imperfecciones puntuales que pueden contenerlos cristales
Modelo atómico de una dislocaciónde borde (derecha). La figura inferiormuestra esquemáticamente elmovimiento de una disloc...
Analogía frecuentementeutilizada entre el movimientode dislocaciones de bordepositivas y negativas con losmecanismos emple...
Deformación demonocristales de Zn(derecha) y de otromonocristal hexagonalcompacto (abajo) poracción de un esfuerzode corte...
Bosque de dislocaciones observado mediantemicroscopía electrónica de transmisión. ArribaE.Orowan, que introdujo con otros ...
MODELO DE BURBUJAS DE UN BORDE DE GRANODE GRAN ANGULO
La propagaciónde bandas dedeslizamiento enun materialpolicristalinorequiere que elapilamiento dedislocaciones enel borde d...
“Si se observa consuficiente cuidado, todoposee una pequeñafisura......”Ted Crawford(personaje de ficción interpretadopor ...
La frase anterior expresa de manera clara y simple una de las premisasbásicas de toda estrategia moderna de prevención de ...
La experiencia diarianos sugiere que losmateriales presentandos comportamientosbien diferenciados derotura: la fractura fr...
De Havilland Comet,primer jet comercial, envuelo. Este avión, deorigen británico fuepresentado en losprimeros años de ladé...
Interior del fuselaje de un De Havilland Comet fallado
Detalle de la fisura por fatiga iniciada en la esquina de la ventanilla
Un final menos penoso correspondió al vuelo 243 de Aloha Airlines, queluego de sufrir una descompresión explosiva de la ca...
El momento deldesastre delChallenger enLa Tripulación delChallengerLa Tripulación delColumbiaDaño en las tejasdel escudo t...
Un método utilizado paraproducir aleaciones dealuminio nano-estructuradas es mediantela técnica conocida como“melt-spinnin...
Aleación superplástica nanoestructuada Pb-Sn
Algunos polímeros nuevosson realmentesorprendentes, como elKevlar, introducidopor Du Pont. Se lo produceen forma de fibras...
Hoy, los científicos e ingenieros en materiales han sido capaces de producirestructuras que no se encuentran en la natural...
El progreso de la industria aerospacial dependecríticamente de la ingeniería en materiales
La estructura de los aviones modernos contiene, adiferencia de las aeronaves del pasado construidascasi enteramente en alu...
Por ejemplo, una aleaciónde base níquel llamadaAlloy 718 es empleadapara compresores yturbinas en la industriaaeronáutica....
Alabes de turbinaaeronáutica desuperaleación de baseNi.La imagen de la derechacorresponde a un diseñoavanzado refrigerado ...
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Los materiales y_la_humanidad

  1. 1. OBJETIVOS DEL CURSO• Conocer los conceptos fundamentales de la Ingeniería de losmateriales.• Establecer la diferencia entre ciencia e ingeniería de losmateriales.• Determinar las aplicaciones de los materiales en la ingenieríaMecánica.• Desarrollar habilidades en la identificación de las propiedadesde los materiales en las fallas de los equipos.• Determinar que materiales se deben utilizar en el diseño de loselementos de máquinas.
  2. 2. Todo comenzó hace unos 2,6 millones deaños, cuando un antecesor nuestro, elAustralophitecus y unos 200000 años mástarde el Homo habilis, en algún lugar deÁfrica oriental se entretenía golpeando dospiedras entre si.Al hacerlo, una de ellas se fracturóexponiendo bordes muy filosos. Nuestroantecesor comprobó que con esa piedrafilosa podía cortar fácilmente ramas deárboles, cortar alimentos, cazar másfácilmente los animales de los que sealimentaban y defenderse de aquéllos queles resultaban peligrosos.
  3. 3. La habilidad del hombre delpaleolítico para producir distintostipos de instrumentos puntiagudos ofilosos queda en evidencia por laevidencia arqueológica que nosmuestra cuchillos, puntas de flecha yde lanzas de la edad de piedra
  4. 4. Cerc. OrienteEuropaChinaAmérica SAmérica N0% 20% 40% 60% 80% 100%PiedraCobreBronceHierroSilicio9000 AdC 0 2000 DdC2.500.000 AdCTal es la importancia de los materiales en la vida del hombre que la historia(y la prehistoria) de la humanidad suele dividirse en períodos asociadoscon los materiales dominantes en cada época.
  5. 5. Entre los primeros indiciosde producción de cobre seencuentran los de laCivilización del Valle delIndo, actualmentePakistán, que datan deunos 4300 años a.C.Para producir el cobremetálico los hornos debíancontar con una corriente deaire forzada. La misma seconseguía a pulmón,soplando con tuboscerámicos, o construyendolos hornos usando fuellespara soplar aire.
  6. 6. El 19 de Setiembre de 1991,dos turistas alemanesencontraron un cuerpohumano en un glaciar, en ellímite entre Austria e Italia.Desde 1998 el cuerpo,conocido vulgarmente como“Ötzi the Iceman” seencuentra preservado enuna heladera especial, en elMuseo Arqueológico deBolzano, en Italia.El nombre con el que se lobautizó deriva del lugar en elque fue hallado: Alpes Ötzal.Las condiciones del glaciarpreservaron inalterado elcuerpo por 5300 años!
  7. 7. El cabello de Ötzi contenía partículasde cobre y de arsénico, lo que hacesuponer que había participado entareas de producción y fundición decobre.Entre sus pertenencias se encontróun hacha de cobre y flechas conpuntas de pedernal, un arco y uncuchillo de pedernal con mango demadera de fresno. El calzadoestaba hecho con piel de oso y deciervo en la parte superior y elcuero estaba impermeabilizado congrasa animal.
  8. 8. Dejemos ahora a Ötzi y la edad del cobre,para ir a la zona del Valle del Indo. Loshabitantes del lugar, después deaproximadamente 1000 años de usar elcobre, mejoraron sus propiedadesagregándole otro metal, el estaño, con loque se obtenía lo que ahora conocemoscomo bronce.Al agregar estaño al cobre, y obtener elbronce, se tenía un material que fundíamás fácilmente y que eraconsiderablemente más duro que el cobre.Para tener una idea de los objetos que seproducían en la edad del bronce, en lafigura vemos un conjunto de armas yornamentos encontrados en Rumania.
  9. 9. El bronce demostró así sermucho más conveniente que elcobre, por lo que en el uso paraarmas y aplicaciones similaresdesplazó al cobre y a la piedra.Una fuente importante de cobre,en la zona del Mediterráneo, fuela isla de Chipre.El cobre se comercializaba enforma de lingotes. En tanto queel estaño podía provenir deparajes tan lejanos como lasIslas Británicas. Esto nosmuestra que en esa época lanavegación ya estaba muyavanzada.Lingote de Cobre primitivo
  10. 10. Los minerales de cobreno son muy abundantesen la naturaleza, por loque resultaba imposibleencarar construccionesque requirierancantidades grandes dematerial, como para hacerun puente.Para estas aplicacionesel hombre debió seguirusando por muchotiempo la piedra como lomuestra este puente dela época del imperioromano.
  11. 11. El Acueducto de Segovia es la obra de ingeniería civil romana más importantede España y es uno de los monumentos más significativos y mejorconservados de los que dejaron los romanos en la península Ibérica.
  12. 12. La necesidad de recurrir a diseños aptos para evitar la fractura no es unconcepto nuevo. Un recurso utilizado hasta fines del siglo XVIII y XIX fue lautilización de elementos estructurales trabajando en compresión como lo ilustraeste diseño de un puente romano. Esta necesidad surgía debido alcomportamiento relativamente frágil de los materiales estructurales utilizadoshasta la introducción de la producción en masa del acero en la RevoluciónIndustrial.
  13. 13. Antiguo horno para producir arrabiofundido, posterior al siglo XIV d.C.Luego de la edad del bronce, elsiguiente cambio lo observamosentre 1000 y 1500 años a.C. cuandocomienza la edad del hierro. Parafundir hierro se necesita unatemperatura de 1535ºC. Hay unaaleación que forma el hierro conalrededor de 4% de carbono, y quese la conoce como arrabio. Pero aúnel arrabio necesita 1130ºC parafundir.Por esto el hierro fundido no se llegóa conocer en Europa hasta el sigloXIV d.C., y esto fue gracias a que seconstruyen grandes hornos, conimportante inyección de aire. Elhorno de la figura se alimenta porarriba con mineral de hierro, carbón yfundentes, y por debajo se extrae elarrabio fundido.
  14. 14. Máquina de vapor construida en HierroEl uso del hierro, debido asu abundancia, encontróusos que no se habíanpensado con los otrosmetales conocidos hastaese entonces.Se fabricaron armas, comocon el bronce, pero tambiénse hicieron pinzas ymartillos que facilitaron eltrabajo de forjado delhierro, se hicieron arados,guadañas, picos y palas,que facilitaron las tareasagrícolas.Al ser poco resistente a la corrosión atmosférica, no servía como material deornamento personal, pero fue muy útil para herraduras de caballos y parainfinidad de otras aplicaciones útiles en la vida cotidiana.
  15. 15. Primer puente de hierro fundido. Fue construido sobre elrío Severn, en Coalbrookdale, Inglaterra, en 1779.Este materialcomenzó adesplazar tambiéna la piedra enestructuras talescomo los puentes.Debido a su bajocosto, suabundancia y susbuenaspropiedadesmecánicas, elhierro es todavíahoy el metal delque más toneladasse producen en elmundo
  16. 16. El 95,45 % del peso de los metales producidos en la actualidad corresponde alhierro y acero. El peso de todos los otros metales juntos no alcanza al 5% deltotal.
  17. 17. El operario no podríamanipular un tubo decobre que estuviera encontacto con vidriofundido.El uso del hierro permitiódesarrollar también otrastecnologías.Al contar con tubos dehierro, fue posible elsoplado del vidriofundido. Con el cobre nose podía hacer el sopladodel vidrio fundido, por laalta conductividad térmicade este metal.
  18. 18. Perfumero de VidrioEgipto - Aprox. 1350 A.de C.Hasta ese momento los recipientesde vidrio se elaboraban con bandasde vidrio que se deformaban encaliente, sobre un molde de barrococido. Luego se rompíacuidadosamente el molde interior, yse pulía la parte exterior.Su elaboración era complicada, porlo que eran objetos muy costosos,y solamente accesibles a reyes ofaraones.La figura nos muestra unperfumero de vidrio hallado en unatumba egipcia, fabricado por esemétodo tan laborioso, y que ahorase expone en el Museo Británico,en Londres.
  19. 19. En épocas recientes, un metal que influyómucho en las actividades del hombre fue elaluminio.Pese a que los minerales de aluminio son muyabundantes en la corteza terrestre, es muy difícil laseparación del metal. En 1846 se podían producirpequeñas cantidades de aluminio, pero por unmétodo muy costoso.Como resultado, el aluminio en esa época era máscaro que el oro. Prueba de ello es que el emperadorNapoleón III, que gobernó Francia entre 1852 y 1870,en los banquetes que organizaba, a los invitadosprincipales les hacía servir la comida en platos dealuminio, en tanto que los demás invitados se debíanresignar a comer en platos de oro.
  20. 20. La situación del aluminio cambiótotalmente en 1886, cuando en formaindependiente un americano y unfrancés desarrollaron un método deproducción de aluminio basado en laelectrólisis de sales fundidas.Este método permitió producir aluminioen forma mucho más económica, y lotransformó en el metal que vemosdiariamente en una multitud deaplicaciones.El hecho de ser un metal resistentemecánicamente y además liviano, lohizo muy atractivo para la industriaaeronáutica. Así es como se usó en lasestructuras de los antiguos dirigibles,tales como los alemanes Zeppelin.
  21. 21. Más tarde permitió la construcción de los aviones comerciales que estamosacostumbrados a ver en la actualidad. El uso del aluminio hizo posible que eltransporte aéreo se convierta en un recurso accesible a la mayoría de laspersonas.
  22. 22. Utilización hecha por el hombre de los materiales a travésdel tiempo, desde la prehistoria hasta nuestros días
  23. 23. Los elementos predominantemente metálicos son los que ocupan la parteizquierda de la tabla periódica como se muestra a continuación:
  24. 24. Los polímeros comerciales son compuestos de los elementos que se señalanen la Tabla Periódica, es decir H, C, N, O, F y Si
  25. 25. Los cerámicos son combinaciones de uno o más elementos metálicos con unoo más de los elementos C, N, O, P y S
  26. 26. covalentesemiconductorespolímerosmetálicometalessecundarioCerámicos y vidriosiónico
  27. 27. ENLACE IONICOFormación del compuestoiónico NaCl a partir de latransferencia de un electrónde la capa externa de Na a ladel Cl
  28. 28. ENLACE COVALENTEEste enlace se produceentre elementos que seencuentran cercanos en laTabla Periódica.En el enlace covalente losátomos no cedenelectrones sino que loscomparten de forma decompletar sus capasexteriores adquiriendo laconfiguración electrónicade un gas noble.Estructura atómica covalente(izquierda) del diamante y delbutano (derecha)
  29. 29. ENLACE METALICOEl enlace metálico puedeconsiderarse como una variantedel enlace covalente en el quelos electrones compartidos no seencuentran asociados a pares deátomos en particular sino que soncompartidos cooperativamentepor todos los átomos del sólido.Una imagen frecuentementeutilizada es la de un “mar” deelectrones libres en el cual seencuentran inmersos los núcleosatómicos y sus capas electrónicasinternas.Este concepto permite explicar laalta conductividad eléctrica ytérmica de los metales.
  30. 30. Un ejemplo particularmente importantede este tipo de enlace es el llamado“puente de hidrógeno” que esresponsable de la relativamente elevadaestabilidad de este líquido y de su altopunto de ebullición.ENLACES DEBILES O DE VAN DER WAALSSon enlaces que se establecen entre átomos o moléculas que poseen momentodipolar. El momento dipolar puede ser inducido por la cercanía de otro átomo omolécula o bien puede ser un dipolo permanente como el exhibido por la molécula deagua.En muchos casos, los enlaces que vinculanlos átomos de un compuesto, no sonpuramente iónicos o covalentes. Unejemplo lo constituyen los cerámicos y losvidrios en los que los enlaces pueden serde naturaleza parcialmente iónica ycovalente.
  31. 31. CLASES DEMATERIALESMETALESPOLIMEROSCERAMICOS VIDRIOSCOMPUESTOS
  32. 32. Veamos la contribución de los distintos materiales en algo familiarpara todos como lo es una cocina moderna.¿Que ocurre si eliminamos los objetos metálicos...?
  33. 33. Este es el resultado ¿Qué ocurre si ahora eliminamos loscerámicos...?
  34. 34. ¿Qué nos queda si eliminamos ahora los objetos de plástico másobvios?
  35. 35. Eliminemos ahora completamente los polímeros...
  36. 36. Finalmente hemos eliminado todos los polímeros y nosqueda ....
  37. 37. Hasta los años ‟50, la metalurgiase había desarrollado en formaempírica, esencialmente porprueba y error, con poca oninguna contribución delconocimiento científico, salvoquizás de la termodinámica y lafísico-química a fines del siglo XIXy comienzos del XX, perobásicamente utilizada en el áreaextractiva y de reducción deminerales.En particular, los conocimientos yaexistentes en la época referentesa la estructura atómica, no habíanaun hecho impacto en latecnología de los metales.
  38. 38. Fue recién a partir de los años „50 queempieza a producirse el matrimonio entre laFísica y la metalurgia tradicional dandoorigen a lo que hoy conocemos comoMetalurgia Física, que comenzaba entoncesa tomar carta de ciudadanía como una ramalegítima de la Física. Esta unión introdujo unnuevo paradigma que tiene vigencia hastanuestros días.Este paradigma surge delreconocimiento que las propiedadesde los materiales, tanto mecánicascomo magnéticas, eléctricas ynucleares, son cualidades emergentesno sólo de la composición química sinoen gran medida de la estructura de losmismos
  39. 39. El término estructura, aplicado a un material,debe entenderse aquí algo así como la“arquitectura” en distintas escalas dedescripción de aquél, es decir a nivel atómico,en el que quedan definidas las estructurascristalinas y los defectoscristalinos, a nivelmesoscópico en el que sedefinen e identifican lasfases y microfasespresentes y su distribución,y a un nivel que podemosllamar macroscópico, en elque se caracteriza eltamaño de grano y sumorfología o textura.
  40. 40. ESTRUCTURA PROPIEDADESdonde el término estructura se refiere a la manera en que los distintosconstituyentes de un material se encuentran distribuidos.Por esto, el significado del término estructura depende del nivel de resolucióncon que observamos un material...De modo que podemos afirmar que el paradigma de la Ciencia e Ingeniería delos Materiales modernos es la relación
  41. 41. ...y el ingeniero en materialesrequiere mejorar cada vez mássus medios de observación...desde el ojodesnudo, pasando porel microcopio óptico,hasta el microscopioelectrónico.....
  42. 42. ...que utiliza un haz de electrones en lugar de luz visiblepara investigar la estructura de los materiales a muypequeña escala.Abajo vemos algunos microscopios electrónicosconvencionales y a la derecha uno que emplea electronescon energías de 1.000.000 de eV!!
  43. 43. La imagen muestra undelgado film vítreo(amorfo) entre dosgranos de Nitruro deSilicio (SiN). Se revelala presencia de átomosde Lantano unidos a lassuperficie de los granos.La imagen fueregistrada con elmicroscopio electrónicode barrido que posee elrécord de resoluciónde0.7 Angstroms en elLaboratorio Nacional deOak Ridge, USA. Se hasuperpuesto a la imagenun modelo atómico de lamisma.
  44. 44. El microscopio de fuerza atómica(AFM, de sus siglas en inglésAtomic Force Microscope) es uninstrumento mecánico-óptico capazde detectar fuerzas del orden de lospiconewtons. El microscopio defuerza atómica ha sido esencial enel desarrollo de la nanotecnología,para la caracterización yvisualización de muestras adimensiones nanométricas.Imagen de átomos de grafito obtenida conel microscopio de fuerza atómica
  45. 45. Si seguimos avanzando en el nivel de resolución con que podemos observar alos materiales, llegamos finalmente a la estructura atómica.Puede decirse que las propiedadesque exhiben los materiales en granescala, son emergentes de lamanera en que se encuentrandispuestos sus atomos.
  46. 46. La estéreo-especificidad de losenlaces covalentes determina el tipode estructura. Los enlaces iónicos,por tener su origen en la atraccióncoulombiana favorecenordenamientos compactos.
  47. 47. Algunos compuestos, P.Ej. los polímeros,pueden formar cristales “moleculares”. Lospolímeros forman un estructura cristalinaplegándose sobre sí mismos utilizandoenlaces débiles como en el polietileno, queda origen a una celda ortorrómbica.
  48. 48. En los vidrios(amorfos) y en loscerámicos(cristalinos), eltetrahedro desílice SiO44- es unaunidadestructural muyimportante quese encuentra enmuchoscompuestoscerámicos yvítreos.
  49. 49. Modelo deesferas de lasílice amorfa SiO2Las esferas rojasrepresentan losátomos deoxígeno y lasamarillas los desilicio.
  50. 50. Las propiedades mecánicas,por ejemplo, estándirectamente relacionadascon la estructura delmaterial a nivel atómico.Un cristal de aluminio y unode magnesio exhibiráncomportamientos diferentesbajo carga debido a que susátomos se encuentranordenados de distinta forma.Las flechas indican lasdirecciones en que sepueden deformar amboscristales. Vemos que el Alpuede hacerlo en másdirecciones que el Mg.
  51. 51. Diversos tipos de imperfecciones puntuales que pueden contenerlos cristales
  52. 52. Modelo atómico de una dislocaciónde borde (derecha). La figura inferiormuestra esquemáticamente elmovimiento de una dislocación deborde en su plano de deslizamientobajo la acción de esfuerzos de cortey el efecto que produce dedesplazamiento de la porciónsuperior del cristal respecto de laporción inferior.
  53. 53. Analogía frecuentementeutilizada entre el movimientode dislocaciones de bordepositivas y negativas con losmecanismos empleados pororugas y gusanos paradesplazarse, y con un posiblemétodo para lograr eldesplazamiento de unaalfombra pesada.
  54. 54. Deformación demonocristales de Zn(derecha) y de otromonocristal hexagonalcompacto (abajo) poracción de un esfuerzode corte actuandosobre los planosbasales
  55. 55. Bosque de dislocaciones observado mediantemicroscopía electrónica de transmisión. ArribaE.Orowan, que introdujo con otros el conceptode dislocación teóricamente. A la derecha, Sir A.Cottrell, que contribuyó a la comprensión de lainteracción entre dislocaciones y átomos(Atmósferas de Cottrell).
  56. 56. MODELO DE BURBUJAS DE UN BORDE DE GRANODE GRAN ANGULO
  57. 57. La propagaciónde bandas dedeslizamiento enun materialpolicristalinorequiere que elapilamiento dedislocaciones enel borde de granodeba producirunaconcentración detensionessuficiente para iniciar el deslizamiento en un sistema del grano adyacente. Unaestructura de grano más fina obliga a que haya más sitios de reiniciación lo queaumenta la resistencia a la deformación del policristal.
  58. 58. “Si se observa consuficiente cuidado, todoposee una pequeñafisura......”Ted Crawford(personaje de ficción interpretadopor Anthony Hopkins en el filmpolicial “Fracture”)
  59. 59. La frase anterior expresa de manera clara y simple una de las premisasbásicas de toda estrategia moderna de prevención de fallas por fracturarápida, que constituye una de las formas más letales y catastróficas derotura que puede producirse en una estructura.
  60. 60. La experiencia diarianos sugiere que losmateriales presentandos comportamientosbien diferenciados derotura: la fractura frágil,como ocurre en unvidrio o en un cerámicoy la de los metales engeneral, en los que larotura es laculminación de unproceso dedeformación plástica(fractura dúctil)
  61. 61. De Havilland Comet,primer jet comercial, envuelo. Este avión, deorigen británico fuepresentado en losprimeros años de ladécada del ‘50.Lamentablemente, unaserie de catástrofesinterrumpió la produccióny el servicio de laaeronave. Cuando losproblema fueronresueltos luego de, 5años de estudios, losEE.UU. ya habíantomado la vanguardiaen la aviacióncomercial de reacción(Boeing)
  62. 62. Interior del fuselaje de un De Havilland Comet fallado
  63. 63. Detalle de la fisura por fatiga iniciada en la esquina de la ventanilla
  64. 64. Un final menos penoso correspondió al vuelo 243 de Aloha Airlines, queluego de sufrir una descompresión explosiva de la cabina, pudo aterrizar enel aeropuerto de Kahului (Maui) el 28 de Abril de 1988, con sólo unmiembro de la tripulación fallecido al ser despedido al vacío. La falla seatribuye a una fractura detonada por una fisura originada por fatiga.
  65. 65. El momento deldesastre delChallenger enLa Tripulación delChallengerLa Tripulación delColumbiaDaño en las tejasdel escudo térmicoregistrada por lospropios tripulantesdurante la misión(Derecha)O´ring similar al que produjo lafalla en el Challenger (Izquierda)
  66. 66. Un método utilizado paraproducir aleaciones dealuminio nano-estructuradas es mediantela técnica conocida como“melt-spinning” queconsiste en una rueda deCu que gira a altavelocidad logrando así elbrusco enfriamiento delaluminio fundido que se vadepositando sobre lamisma.Este intenso sobreenfriamiento permite laformación de núcleos estables que alcrecer conforman una estructura de granoultrafina en forma de cinta. El material asílogrado se consolida posteriormente porcompresión.
  67. 67. Aleación superplástica nanoestructuada Pb-Sn
  68. 68. Algunos polímeros nuevosson realmentesorprendentes, como elKevlar, introducidopor Du Pont. Se lo produceen forma de fibras de muyalta resistencia. Laresistencia es tangrande que se usa, entreotras aplicaciones, para laconfección de chalecosantibalas
  69. 69. Hoy, los científicos e ingenieros en materiales han sido capaces de producirestructuras que no se encuentran en la naturaleza.Un ejemplo reciente es el C60, llamadobuckminsterfullerene!!, ó massimplemente “buckyball”, que tieneuna gran cantidad de aplicacionestecnológicas aún no totalmenteexplotadas.Otro ejemplo es el “buckytube” quevemos abajo
  70. 70. El progreso de la industria aerospacial dependecríticamente de la ingeniería en materiales
  71. 71. La estructura de los aviones modernos contiene, adiferencia de las aeronaves del pasado construidascasi enteramente en aluminio y acero, unadiversidad de materiales.Entre estos sedestacan loscompuestosavanzadosconsistentes enfilamentos de grafito yboro en una matrizepoxy.En el esquema vemosun jet Air Force 17mostrando las parteshechas concompuestos de matrizpolimérica.
  72. 72. Por ejemplo, una aleaciónde base níquel llamadaAlloy 718 es empleadapara compresores yturbinas en la industriaaeronáutica. Estaaleación se ha venidomejorandoprogresivamente durante30 años a través delagregado de Mg, técnicasde fusión al vacío, ycontrariamente a lo quese creía hasta no hacemucho, medianteadiciones controladas deP, C y B para mejorar suresistencia a altastemperaturas
  73. 73. Alabes de turbinaaeronáutica desuperaleación de baseNi.La imagen de la derechacorresponde a un diseñoavanzado refrigerado poraire.Estos elementos debenmantener adecuadaresistencia mecánica yestabilidad dimensionalen ambientes agresivosa temperaturas deaproximadamente1000ºC.
  74. 74. El automóvil,quizás más aúnque el avión, esel ejemplo máselocuente deaplicación de laingeniería enmateriales.Es un sistema complejo con másde 15000 piezas y con docenasde sistemas diferentes que debencumplir su función de manerasegura y eficiente.El esquema superior destacapartes y materiales críticos queintervienen en la construcción deun concept car.
  75. 75. Cuando se pensaba que el usodel acero en el automóvil ya nodejaba lugar a mejoras, laindustria siderúrgica en conjuntocon la automotriz ha logradorecientemente diseñar yconstruir un automóvil deestructura de acero que es 24%más liviano y 34% masresistente a un costo inferior alde los autos convencionales.
  76. 76. Los materiales compuestospermiten obtener combinacionesde propiedades imposibles deobtener con un solo tipo dematerial. Entre los materialescompuestos se destacan losreforzados por fibras o porpartículas.En la imagen superior vemos elaprovechamiento que se hace de plásticosreforzados con fibra de carbono (CFRP) enun vehículo de competición.A la izquierda pueden verse diversosperfiles estructurales hechos con el mismotipo de compuesto.
  77. 77. Paquete de fibras de vidrio de refuerzoantes de ser incluidas en un polímero(arriba).Elemento estructural reforzado por fibras(derecha).
  78. 78. Aquí vemos otros avances: unrecubrimiento de poliuretanodirectamente unido a la llanta de aceroo aluminio la protege de la corrosión yla abrasión aumentandoconsiderablemente la vida útil de larueda.A la izquierda vemos una tapa deguantera moldeada en una solapieza en resina ABS, con diseñode “panel de abejas”
  79. 79. El cuerpo humano es la máquina más compleja que existe sobre la tierra.Como toda máquina, a veces se daña. El gran desafío de los ingenieros ycientíficos en materiales es hallar sustitutos artificiales para aquellas partes quedeben ser reemplazadas.Aquí vemos algunoscomponentes del cuerpohumano que ha podido sersustituidos exitosamente graciasa que se ha desarrolladomateriales biocompatibles quese comportan como los tejidosnaturales.
  80. 80. Estas partes pueden ser tan simples como las amalgamas que el odontólogoha venido utilizando desde 1832 para reparar huecos en los dientes, y cuyacomposición habitual es50% Hg (Mercurio)20% Máx. Ag (Plata)15% Mín. Cu (Cobre)15% Máx. Sn (Estaño)En los últimos 10 años se handesarrollado compuestoscerámicos aptos para el rellenode piezas dentales queaventajan a las amalgamas envarios aspectos: sonquímicamente inertes, de bajaconductividad térmica, muyresistentes y estéticas.
  81. 81. A la izquierda vemos una prótesis de hombro y ala derecha una de cadera. Tradicionalmenteestas prótesis se han fabricado con materialesmetálicos, tales como aceros inoxidables yaleaciones de Ti, pero muy recientemente hancomenzado a desarrollarse piezas de vidrios-cerámicos.Las articulaciones son estructuras biomecánicassorprendentes. Los esfuerzos que soportan sonincreíblemente grandes. La ingeniería demateriales debe encontrar reemplazos quecumplan eficientemente su función, pero queademás su superficie exterior permita que elhueso crezca sobre ella para asegurar unacorrecta fijación.
  82. 82. Numerososinvestigadores estántrabajandoactualmente en temastales como eldesarrollo de polímerosque se contraen enpresencia de un campoeléctrico y queservirían paradesarrollar músculosartificiales aplicables aproblemas ortopédicos.
  83. 83. Un desafío quizás todavía mayor para laciencia e ingeniería de los materiales es elreemplazo de tejidos blandos con productosque sustituyen desde vasos sanguíneos,hasta músculos y porciones de piel mediantefibras sintéticas poliméricas.El corazón es otra pieza sorprendentede biomecánica. Durante nuestras vidasdebe latir 2500 millones de veces ybombear casi 200 millones de litros desangre a través del cuerpo. La primeraválvula cardíaca artificial de aleaciónCoCr se implantó hace unos 40 años.Hoy, esta tecnología representa unnegocio de U$S 500 millones al año!!
  84. 84. Tejas de alúminareforzadas con fibrasdel mismo materialutilizadas en serviciode alta abrasión.Ejemplos deaplicación decerámicosavanzados.Las tejas utilizadasen la región de narizdel Sache Shuttlecomo blindajetérmico durante elreingreso a laatmósfera.Rótula de cadera dealúmina.
  85. 85. Edificio Dakin, en California, diseñado con panelesexternos de porcelana. Recibió varios premios, entre ellosel del American Institute of Architects de 1992.
  86. 86. Pastillas o “pellets” de dióxido deUranio (UO2) para elementoscombustibles nucleares depotencia producidas mediante elproceso de sinterizado enatmósfera controlada.
  87. 87. Matriz de SiCreforzada con fibraslargas del mismomaterial (SiCf/SiC).Este es un materialexperimental paralos futuros rectoresde fusión debido asu elevadaresistenciamecánica a altastemperaturas y subaja activaciónneutrónica.Actualmente seinvestiga elmejoramiento de suconductividadtérmica.
  88. 88. Hojas de cuchillos decerámicos avanzados degrano ultra fino retienen el filo10 veces más que los deacero incluyendo los de altocarbono.En un ensayo de desgaste consistente encorte de blocs de papel repetido 1000veces se observa el menor desgaste enel cerámico avanzado con respecto a uncerámico convencional.
  89. 89. La técnica de fusión zonal se aplicó paraproducir germanio y silicio muy puros.Partiendo de estos elementos muy puros,los físicos pudieron controlar suspropiedades eléctricas, variando elcontenido de impurezas. Así es comodesarrollaron los transistores.Primer transistor - 1947En la figura podemos ver la aparienciaque tenía el primer transistor, hecho en1947 y por cuyo trabajo sus autoresrecibieron el Premio Nobel.
  90. 90. La superconductividad es lacapacidad intrínseca que poseenciertos materiales para conducircorriente eléctrica sin resistencia nipérdida de energía endeterminadas condiciones.La resistencia de unsuperconductor desciendebruscamente a cero cuando elmaterial se enfría por debajo de sutemperatura crítica.Heike Kamerlingh Onnes (right), descubridorde la supercondcutividad en 1911.La superconductividad ocurre en unagran variedad de materiales, incluyendoelementos simples como el estaño y elaluminio, diversas aleaciones metálicas yalgunos semiconductores fuertementedopados.Una corriente eléctrica que fluye enuna espiral de cable superconductorpuede persistir indefinidamente sinfuente de alimentación. Al igual queel ferromagnetismo y las líneasespectrales atómicas, lasuperconductividad es un fenómenocuántico.
  91. 91. Hoy la Física del Sólido ha permitidoentender tales estados “especiales” dela materia, lo que ha conducido aldesarrollo de memorias magnéticasavanzadas para computadoras(derecha) y materialessuperconductores (abajo) quepermiten diseñar sistemas detransporte de alta velocidad consuspensión levitatoria.
  92. 92. Equipo de soldadura en fasesólida de aceros por Fricción -Agitación (Friction Stir Welding)desarrollado recientemente enla Argentina empleando unaherramienta de cerámicoavanzado.
  93. 93. El puente de suspensión “GoldenGate” en la bahía de SanFrancisco.
  94. 94. Puente “Box Girder” Río-Niterói

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