Materiales E Ingeneria

Ciencia de materiales

La ciencia de materiales es el campo científico encargado de investigar la relación entre la estructura y las propiedades de losmateriales. Paralelamente, conviene matizar que la ingeniería de materiales se fundamenta en esta, las relaciones propiedades-estructura-procesamiento-funcionamiento, y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades.

La ciencia de materiales es, por ello mismo, un campo .multidisciplinar que estudia los conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad. Incluye elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y eléctrica o medicina, biología y ciencias ambientales. Con la atención puesta de los medios en la nanociencia y la nanotecnología en los últimos años, la ciencia de los materiales ha sido impulsada en muchas universidades

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO

Un diagrama de equilibrio es la representación gráfica de la temperatura en función de la composición química (normalmente en% en peso) de una aleación binaria. De manera práctica indica qué fases predominan en cada una de las temperaturas en función de la composición. Da mucha información de la microestructura de una aleación cuando se enfría lentamente (en equilibrio) a temperatura ambiente. Además, en un diagrama de fase se pueden observar los cambios que se producen en la microestructura y en las fases cuando varía la temperatura.

Hay que recordar de nuevo que la microestructura final afecta notablemente las propiedades mecánicas. Los diagramas de fase son representaciones gráficas de las fases que existen en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Los diagramas, en su mayoría, se han construido en condiciones de equilibrio (Los diagramas de equilibrio de fases se determinan mediante la aplicación de condiciones de enfriamiento lento), y son utilizados por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales.

La calificación de metales y aleaciones es uno de los procesos que más identifica a la Metalurgia. Los procesos de solidificación implican el conocimiento y control de las variables involucradas (por ejemplo, temperatura, composición, Velocidad de flujo, etc.) en el procesamiento de los materiales metálicos para obtener la estructura, la composición y la forma deseada de ellas.

Diagrama de Fases

Un diagrama de fases nos proporciona información importante acerca de la fusión y las características de las aleaciones de algunos metales. Cabe mencionar que estos diagramas se obtienen en condiciones de equilibrio, las cuales son condiciones a las cuales no se trabajan realmente.

Al trabajar con los diagramas de equilibrio se debe tener en cuenta algunas definciones de palabras como lo son micro-estructura, fase, componente, solución solida y limite de solubilidad.

Micro-estructura: Las propiedades mecánicas y físicas de un material dependen de su micro-estructura. Esta puede consistir en una “simple” estructura de granos iguales en un metal o cerámica pura, o en una mezcla más compleja de distintas fases. Un ejemplo de micro-estructura puede ser: ferrita y perlita.

Diagrama de Fases

Un diagrama de fases nos proporciona información importante acerca de la fusión y las características de las aleaciones de algunos metales. Cabe mencionar que estos diagramas se obtienen en condiciones de equilibrio, las cuales son condiciones a las cuales no se trabajan realmente.

Al trabajar con los diagramas de equilibrio se debe tener en cuenta algunas definciones de palabras como lo son micro-estructura, fase, componente, solución solida y limite de solubilidad.

Micro-estructura: Las propiedades mecánicas y físicas de un material dependen de su micro-estructura. Esta puede consistir en una “simple” estructura de granos iguales en un metal o cerámica pura, o en una mezcla más compleja de distintas fases. Un ejemplo de micro-estructura puede ser: ferrita y perlita.

Diagrama de Fases

Un diagrama de fases nos proporciona información importante acerca de la fusión y las características de las aleaciones de algunos metales. Cabe mencionar que estos diagramas se obtienen en condiciones de equilibrio, las cuales son condiciones a las cuales no se trabajan realmente.

Al trabajar con los diagramas de equilibrio se debe tener en cuenta algunas definciones de palabras como lo son micro-estructura, fase, componente, solución solida y limite de solubilidad.

Micro-estructura: Las propiedades mecánicas y físicas de un material dependen de su micro-estructura. Esta puede consistir en una “simple” estructura de granos iguales en un metal o cerámica pura, o en una mezcla más compleja de distintas fases. Un ejemplo de micro-estructura puede ser: ferrita y perlita.

Estructura del átomo

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y lacorteza.

- El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, losneutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.

Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z.

- La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.

Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.

Modelo de átomo de He (isótopo 4-He)

Isótopos

La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones.

Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico.

Para representar un isótopo, hay que indicar el número másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), colocados como índice y subíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo del elemento.

ENLACES QUIMICOS Y MOLECULARES

Fuerzas y energía de enlace

Cuando se forman enlaces entre átomos existe afinidad química entre estos. Cuando no hay afinidad química, los átomos no se unen, cada uno de ellos está bien separado de los demás, y los elementos son gaseosos a temperaturas y presiones ordinarias. Cuando hay afinidad química, existe una fuerza de atracción electroestática (coulómbica)positiva de largo alcance, FA, que acerca mucho los átomo unos a otros. Esto se muestra en la figura 1, donde la atracción ocurre entre el núcleo de un átomo (N1) y los electrones e2 del otro átomo N2. Cuando los átomos están muy próximos entre si, se manifiesta una fuerza de repulsión negativa, FR, cuyo origen es le repulsión mutua de los electrones,e1 y e2. La fuerza de enlace total, FB, es la suma de las fuerzas de atracción y repulsión; es decir,

FB = FA + FR

e1 e2

Fuerza de atracción de largo alcance entre cargas

Positivas (núcleos) y cargas negativas (electrones)

Fuerza de repulsión de corto alcance entre

Cargas del mismo signo (electrones - electrones)

Fig. 1. Esquema de dos átomos separados, donde se indican las fuerzas de atracción y de repulsión

Se acostumbra utilizar la energía, en vez de la fuerza, para analizar los enlaces entre átomos.

Fig. 2. Curva de energía de enlace

Tipos de enlace

• Enlace iónico

El enlace iónico (o enlazamiento iónico) es el resultado de trasferencia de electrones (o paso de electrones) de un átomo a otro. El enlace iónico se forma entre un átomo electropositivo y uno electronegativo. El átomo electropositivo cede sus electrones y el átomo electronegativo los acepta. Como resultado de este proceso se forman iones positivos (con valencia +n1) y negativos (con valencia - n2) con configuraciones de capa cerrada. En estas condiciones, los iones con cargas +n1 y - n2 experimentan atracción mutua. La fuerza de repulsión se manifiesta cuando las configuraciones electrónicas de capa cerrada iónica comienzan a traslaparse.

En el contexto de la mecánica cuántica, los electrones de valencia pertenecientes originalmente a los átomos neutros se comparten entre los dos átomos que constituyen la molécula. Los electrones se comparten de tal manera que la densidad de probabilidad de los electrones en un volumen pequeño, en un punto del espacio y en un momento dado, es mayor en torno al átomo electronegativo y, por tanto, este átomo adquiere la carga negativa (como en la figura 3). Esta es la base de una propiedad cualitativa que lo químicos denominan electronegatividad. Para que la energía de atracción sea máxima y la energía de repulsión sea mínima, los vecinos inmediatos de un ion positivo (catión) deben ser iones

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