Introduction to Materials Science

Introduction to Materials Science

The Materials Science Tetrahedron. Source: wikipedia

Lecture 1

Luis Enrique Merino Q. 2

Main Goal

• Comprender la interdependencia e

importancia entre la estructura interna,

propiedades y desempeño de los materiales


1-0 Some wise phrases to remember

• Knowledge is more important than grades and

knowledge takes time and effort

• If it was easy, anyone could be an engineer

• "It is difficult to say what is impossible, for the

dream of yesterday is the hope of today and the

reality of tomorrow.“. Quotation from high school

graduation oration of Robert H. Goddard in June

of 1904.

1882 - 1945


1-1 Materials versus Civilization

• Los materiales han sido parte de nuestra cultura y

civilización. Incluso hemos designado los períodos de

nuestra historia con ellos:

– Edad de piedra,

– Edad de bronce y

– Edad de hierro.

• Actualmente, no estamos limitados a un sólo material

predominante, ya que existe una gran diversidad de

materiales puros e incluso compuestos.

Edad de la tecnología


1-2 Materials versus Engineering

• Los ingenieros tratan de adaptar los materiales y

energía a las necesidades de la sociedad actual, id est,

diseñan productos y sistemas, los hacen y monitorean

su uso.

• Estos productos están hechos de materiales, y es

necesario invertir energía en su producción y uso.

• La conexión que existe entre el diseño, producción y uso

de un material es la principal razón por la cual los

estudiantes de Ingeniería Civil poseen un curso de

materiales en sus curricula de estudios.



• Las diferentes ingenierías se enfocan en su subconjunto de propios productos y sistemas. Algunos ejemplos son: Ingeniería Civil (hormigones de alta resistencia, diferentes densidades, y aceros resistentes a la corrosión), Ingeniería Mecánica (materiales para altas temperaturas), Ingeniería Eléctrica (materiales para que los dispositivos electrónicos puedan funcionar a altas velocidades y altas temperaturas), Ingeniería Química (refinerías de petróleo, resistencia a la corrosión), Ingeniería Aeroespacial (relación resistencia-peso), Ingeniería Biomédica (prótesis, relación resistencia-peso-superficie). Esto implica que los ingenieros deben enfrentar una elección multidimensional (energía y desempeño)



• Es necesario definir qué es la ciencia y la ingeniería de

materiales.

• Esto deriva en una fusión e integración de la ciencia e

ingeniería de los materiales.

Disciplina Objetivo Principal

Ciencia de Materiales

Scientia-ae

Búsqueda, a través de la investigación, del

conocimiento básico de materiales, id est,

estructura interna, propiedades y procesamiento

de éstos.

Ingeniería de Materiales

Ingenium-i

Utilización del conocimiento aplicado de

materiales, id est, convertir estos materiales en

productos necesarios para la sociedad.



• Esta integración se preocupa de la generación y

aplicación del conocimiento sobre la composición,

estructura y preparación de los materiales, y la relación

de éstas con su propiedades y usos.

• El objetivo de esto es relacionar el comportamiento de

cada material, en términos físicos y mecánicos, con la

estructura de ese material vista en órdenes de magnitud

apropiadas, desde el molecular hasta el macroscópico.


1-3 Structure, properties and performance

• Casi todos los tipos de materiales son usados en

ingeniería, pero hay algunos que presentan restricciones

de disponibilidad, propiedades, desempeño en servicio o

alto costo que impiden su masificación.

• Actualmente, existe una gran variedad de materiales y

aparecen nuevos tipos cada día. Esto hace difícil al

ingeniero familiarizarse con todos ellos, con su

propiedades particulares y su desempeño.

• Id est, el ingeniero debe aprender principios para guiarse

en la selección y aplicación de materiales.



Internal Structure and Properties

• El principio clave que gobierna las propiedades de todos

los materiales es:

“Las propiedades de un material dependen o se

originan según la estructura interna de este material”

• La estructura interna de los materiales comprenden

átomos que están en un ordenamiento cristalino

repetitivo, cristalino parcial, molecular, microestructuras,

et caetera.



Properties and Processing

• Los materiales deben ser procesados (producción) para cumplir con las especificaciones que el ingeniero requiere para el producto que está diseñando.

• La producción involucra más que simplemente un cambio de forma por deformación o por el uso de maquinas. Este proceso de manufactura cambia las propiedades del material, ya que los procesos térmicos o deformaciones cambian la estructura del material.

• Es imperante entender la naturaleza del cambio en la estructura para especificar apropiados procesos.



Properties and Service Behavior

• Los materiales resultantes de procesos poseen

propiedades: rigidez, dureza, conductividad térmica y

eléctrica, color, densidad, et caetera. Para cumplir con

las necesidades del diseño.

• Estas propiedades se mantendrán indefinidamente si la

estructura interna no cambia.

• El ingeniero no sólo debe considerar la demanda inicial,

sino también las condiciones de servicio que podrían

alterar la estructura interna y, por ende, las propiedades.



The Engineering Aproach

• El ingeniero debe entender los principios subyacentes

del problema particular para luego desarrollar una

solución.

• La selección óptima de un material para un producto o

sistema envuelve las propiedades, id est, el ingeniero

debe entender la estructura interna que gobierna las

propiedades. La relación entre las variables que inciden

en la selección de un material son:

Estructura Propiedades Desempeño Durante el proceso

Durante el servicio



The Engineering Aproach

• Los criterios de selección de los materiales pueden ser:

– Funcional (diseño y construcción),

– Económico (hoy y mañana),

– Ecológico (producción, polución y conservación) y

– Disponibilidad (material y tecnología).

Empírico y científico

Evaluación técnica-económica



Summary 1-3

• La estructura interna de un material determina las propiedades de éste, y éstas influencian el desempeño del material. Para modificar su desempeño, id est, durante su vida útil, hay que modificar su estructura interna. Si las condiciones de servicio alteran la estructura de un material, es evidente que estos cambios repercutirán en sus propiedades y desempeño.


1-4 Types of materials

• La clasificación taxonómica más común está basada en

los enlaces atómicos y estructuras, id est: materiales

metálicos, poliméricos y cerámicos.

• Además, se pueden agrupar los materiales según sus

propiedades tales como mecánicas, ópticas y eléctricas.

Incluso estos grupos se pueden subdividir. Exempli

gratia: subdividir el grupo de materiales eléctricos en

conductores, semiconductores y aislantes.

• También existe otra categoría llamada materiales

compuestos.


1-5 Homework

• Realice una taxonomia de los tipos de

materiales y un resumen de las

propiedades de cada tipo.

• Escoger un ejemplo en el cual sea

evidente la interdependencia mostrada en

esta presentación, mostrando diagramas y

explicándolos. Refinadora de petroleo,

hidroeléctrica, cementera.

Practice Problems

The Schrödinger Equation. Source: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/quantum/Schr.html

Lecture 2


Main Goal

• Comprender, analizar, reconocer y aplicar los

conceptos básicos involucrados en la

estructura interna de un material


1-1 Example 1.1

• A copper wire has a diameter of 0,9 mm.

– a) What is the resistance of a 30-cm wire?

– b) How many watts are expended if 1,5 volts

dc are applied across 30 cm if this wire?


1-1 Example 1.2

• A 1-mm copper wire that is 380 cm long

supports a load of 5 kg elastically. The

temperature drops from 10°C to 5°C. By

how much must the load be altered to

return the wire to its initial length?


1-2 Example 2.1

• Show the origin of 0,41 as the minimum

ratio for a coordination number of 6.

Source: Wikipedia

NaCl


1-2 Example 2.2

• The density of chromium is 7,19 Mg/m3,

and the atomic mass is 52 amu and its unit

cell is cubic.What is the dimension of the

chromium unit cell?

Source: Wikipedia

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