CAPITULO 1.INTRODUCCION
. . Cuando hablamos de materiales nos estamos refiriendo a todo lo que conocemos como materia y la definiremos como todo lo que es revelable a nuestros sentidos o a cualquier instrumento de medida. . La energía* bajo cualquier forma entra en esta definición dada la posibilidad que tiene de transformarse en masa y viceversa (relatividad*).En este sentido también las partículas sin masa como los fotones* y los neutrones* se consideran en física como partículas materiales ya que pueden ser captados por instrumentos. La materia está compuesta por pequeñas partículas y son tan diminutas que no pueden ser vistas con ningún microscopio microscopio existente; son los átomos. Nos pareciera que existen muchos tipos distintos de materia, pero el número de clases de átomos no es muy grande, se conocen más de 118 y en su mayoría son muy escasos. Algunos no existen en la naturaleza y se encuentran solo en laboratorios donde fueron creados. Solo una docena de clases de átomos son realmente comunes, los que pueden combinarse formando muchos tipos distintos de materiales. Cuando un material está integrado por átomos de distintos tipos, este recibe el nombre de compuesto o aleación. Y cuando un material está integrado por un solo tipo de átomo este recibe el nombre de elemento. Con estos elementos está constituido el universo. Los átomos están constituidos por partículas más pequeñas.
Cada clase de átomo tiene tiene un número número de e - determinado, el más simple contiene un solo e - y así sucesivamente sucesivamente hasta 118 sin saltarse saltarse ninguno. Por tanto se dio un número atómico atómico a cada elemento que en condiciones normales corresponde al número de e -. Estos se disponen en
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capas o envolturas alrededor del núcleo del átomo, cuando una capa está llena, el próximo e - se ubica en la capa siguiente. Las propiedades de los elementos dependen del número y la disposición de los e- situados en la capa exterior. Los químicos pueden ordenar todos los elementos de tal manera que los que tienen una disposición similar de las capas de e - figuren en la misma columna o, a veces en la misma línea. Esta ordenación se denomina tabla periódica:
En ella los elementos han sido ordenados según su número atómico, en tanto que, los que se asemejan por la disposición similar de sus capas aparecen claramente definidos por los distintos colores. Por lo tanto siguiendo la tabla periódica es factible referirse a varios elementos similares al mismo tiempo. Estos elementos los conoceremos a medida que aparezcan formando los distintos tipos de materiales.
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capas o envolturas alrededor del núcleo del átomo, cuando una capa está llena, el próximo e - se ubica en la capa siguiente. Las propiedades de los elementos dependen del número y la disposición de los e- situados en la capa exterior. Los químicos pueden ordenar todos los elementos de tal manera que los que tienen una disposición similar de las capas de e - figuren en la misma columna o, a veces en la misma línea. Esta ordenación se denomina tabla periódica:
En ella los elementos han sido ordenados según su número atómico, en tanto que, los que se asemejan por la disposición similar de sus capas aparecen claramente definidos por los distintos colores. Por lo tanto siguiendo la tabla periódica es factible referirse a varios elementos similares al mismo tiempo. Estos elementos los conoceremos a medida que aparezcan formando los distintos tipos de materiales.
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TIPOS DE MATERIALES.Estos pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos. Metálicos Sólidos
Polímeros
Compuestos + 2 grupos intermedios
Cerámicos
Líquidos
Domésticos Industriales
Semiconductores Superconductores
Agua Aceite
Vapor de H2O Domésticos Gases
Metano Industriales
. Por ahora nos interesa analizar los materiales en estado sólido, los que dividiremos en tres grupos: metales, polímeros y cerámicos, este esquema se basa en la composición química y en la estructura atómica. Además existen dos grupos con propiedades intermedias de los anteriores que son los materiales compuestos y los semiconductores, a este último se le agregan agregan los superconductores. superconductores. MATERIALES MATERIALES METALICOS.. Son sustancias inorgánicas, enlazadas por uniones metálicas basadas en e deslocalizados que no pertenecen a ningún átomo en concreto, esto debido a que poseen valencias bajas. La mayoría de las propiedades de los metales se atribuyen a estos e - , su estructura es cristalina, son buenos conductores de calor y la electricidad, dúctiles a temperatura ambiente y elevada resistencia mecánica incluso a altas temperaturas. Los metales y aleaciones (combinación de 2 o más metales, o un metal y un no metal) se dividen en dos grupos:
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1.-Metales y aleaciones ferrosas: Principalmente son aleaciones que contienen contienen gran porcentaje de Fe, las más más importantes son: aceros, aceros, fundiciones de Fe y carburos de Fe o cementita. Generalidades sobre el Fe: -Nº atómico= 26 El Fe es el metal mas barato que tenemos, después del Al es el metal mas abundante de la corteza terrestre, constituye el 5% de ella, y es fácil de obtener de sus compuestos, lo que rebaja los costos. El núcleo de nuestro planeta esta formado principalmente por Fe y Ni, generando al moverse un campo magnético. Su gran aplicación esta en los productos siderúrgicos utilizándolo como matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos. Se considera que una aleación de Fe es acero si contiene menos de un 2% de C si el % es mayor, recibe el nombre de fundición. Es uno de los elementos esenciales de los tejidos vivos, forma parte de la sangre. El compuesto llamado hemoglobina, que da su color a la sangre toma el O de los pulmones y lo lleva a todos los tejidos, cada molécula de hemoglobina tiene 4 átomos de Fe que transportan ese O. El cuerpo humano contiene alrededor de 3 gr. de Fe, un ser humano que tiene menos de lo normal sufre una enfermedad que se conoce como anemia. Minerales usados para la manufactura del Fe: - Hematites (Fe2O3) - Magnetita (Fe3O4) - Limonita (FeO(OH) - Siderita (FeCO3) . - etc. Su inconveniente mas serio es el que se combina con el O en presencia de humedad, iniciando la corrosión. Las aleaciones ferrosas se consumen en cantidades muy grandes debido a la diversidad de propiedades mecánicas, a la facilidad de fabricación y a la economía de producción. Sin embargo, los principales inconvenientes son: densidad relativamente alta, conductividad eléctrica comparativamente baja y susceptibilidad a la corrosión en medios comunes. Por este motivo, para muchas aplicaciones es conveniente utilizar otros metales con una combinación mas apropiada. 2.- Aleaciones y metales no ferrosos: Estas aleaciones no contienen Fe y se clasifican según el componente mayoritario o según las características características especificas del grupo. grupo. Las más utilizadas son: aleaciones de cobre, aluminio, magnesio, y titanio, metales refractarios, superaleaciones, metales nobles y aleaciones que incluyen níquel, plomo, estaño y zinc como metales base.
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MATERIALES CERAMICOS.-: Son compuestos químicos inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos, formando óxidos, nitruros y carburos. Estructuralmente pueden ser cristalinos, amorfos o mezclas de ellos, enlazados principalmente mediante uniones iónicas y covalentes Por lo general se trata de materiales que poseen alta dureza, resistencia a altas temperaturas, frágiles, de bajo peso, resistentes a la humedad y calor, de baja tenacidad y ductilidad, reducida fricción y aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores. Se pueden dividir en:
Cerámicos Tradicionales
Arcilla (feldespato + oxido de Al) Sílice o Cuarzo (SiO2) Feldespato
Cerámica para Ingeniería
Al2O3 SiC Si3N4
(silicato de Al y de Ca, Na o K)
(Oxido de Al o Alumina) (Carburo de Si o Carborundo) (Nitruro de Si)
MATERIALES POLIMERICOS.Se basan en compuestos orgánicos cuyos elementos principales son el carbono y el hidrógeno mas otros en menor proporción. Son no metálicos y su mayoría son derivados del petróleo (hidrocarburos). Su estructura es de tipo molecular con algunas mezclas de regiones cristalinas y amorfas. Se caracterizan por llegar a formar estructuras de gran longitud (cadenas) químicamente enlazadas entre sí. Son malos conductores de la electricidad, buenos aislantes, baja densidad y gran plasticidad. Su principal desventaja esta en la perdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura, sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200°C).En el plano eléctrico los polímeros conductores han sido recientemente desarrollados y sus aplicaciones están siendo estudiadas. Ejemplos:
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1.- Polietileno Etileno C2H4 (C=6; H=1)
→
Polietileno
2.- PTFE (Teflón)
3.- PVC (Policloruro de vinilo)
Generalidades sobre el Carbono: -Nº atómico=6
Es sólido a temperatura ambiente y puede encontrarse en la naturaleza en forma de grafito, diamante y en alrededor de 10 millones de compuestos de carbono, forma parte de todos los seres vivos conocidos. Sus formas alotrópicas incluyen una de las sustancias más blandas (el grafito) y la más dura (el diamante) y, desde el punto de vista económico uno de los materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros (diamante). Presenta una gran afinidad para enlazarse químicamente con otros átomos pequeños, incluyendo otros átomos de carbono con los que puede formar largas cadenas. Así, con el oxigeno forma el dióxido de carbono vital para el crecimiento de las plantas, con el hidrogeno forma los hidrocarburos, los cuales se destilan obteniéndose gasolinas, keroseno y aceites, siendo además la materia prima empleada para la obtención de polímetros, en el gas natural se impone por su combustión mas limpia, con el O y el H forma ácidos grasos esenciales para vida. Otros usos son: El isótopo carbono-14 que se usa en la datación radio métrica, el grafito se combina con arcilla para fabricar las minas de los lápices, además se usa como aditivo en lubricantes. Las pinturas
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anti-radar utilizadas en el camuflaje de vehículos y aviones militares están basadas en el grafito intercalando otros compuestos químicos entre sus capas. Como elemento principal de aleación de los aceros, como filtro para absorber las toxinas del sistema digestivo y en sistemas de filtrado y purificación de agua a través de carbones activados. Para mejorar propiedades mecánicas en el caucho por medio de carbón amorfo (hollín). Las fibras de carbono que se añaden a resinas de poliéster donde mejoran la resistencia mecánica sin aumentar el peso, es capaz de conducir electricidad y actualmente se esta utilizando en el campo de la nanotecnologia. Generalidades sobre el Hidrogeno: -Nº atómico=1 El hidrogeno es el elemento mas abundante del universo, suponiendo mas del 75% en masa y mas del 90% en Nº de átomos, se encuentra en abundancia en las estrellas y los planetas gaseosos gigantes, y se asocia a la formación de estrellas. También juega un papel fundamental como combustible de las estrellas por medio de las reacciones de fusión nuclear entre protones. Bajo condiciones ordinarias en la Tierra existe como gas diatomico (H2), sin embargo es extremadamente poco abundante en la atmósfera debido a su pequeña masa que le permite escapar al influjo de la gravedad terrestre. La mayor parte del hidrogeno terrestre se encuentra formando parte de compuestos químicos tales como los hidrocarburos o el agua, el metano es una fuente de enorme importancia para la obtención del H. MATERIALES COMPUESTOS.Materiales multifases obtenidos artificialmente. Se han diseñados materiales compuestos formados por mas de un tipo de material, metales con cerámicas, metales con polímeros, cerámicas con polímeros, etc., cuyo objetivo es alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente, la idea es mejorar la combinación de propiedades mecánicas tales como la rigidez, tenacidad, resistencia a la tracción a temperaturas elevadas y a temperatura ambiente. Por ejemplo, si se mezcla un polímero con fibras metálicas, es posible obtener un compuesto que tenga bajo peso (aportado por el polímero) y que al mismo tiempo pueda conducir la electricidad (propiedad aportada por las fibras metálicas. Los grupos más importantes que encontramos son: 1.- Materiales compuestos reforzados con partículas.Los que se subdividen en: a.- Reforzados con partículas grandes (no ocurren a nivel atómico) Ejemplos: -
Hormigón.- formado por cemento como matriz aglutinante y grava en forma de partículas.
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-
Cermet (cerámico+metal).- está formado por partículas de W o Ti en una matriz metálica de Co o Ni. Elastómeros (Caucho sintético).- se utilizan como matriz y son reforzados con partículas de materiales tales como el negro de humo. Este último consiste en partículas muy pequeñas y esencialmente esféricas de carbono, producidas por la combustión incompleta de gas natural u otros derivados del petróleo. La adición de este material extremadamente barato al caucho vulcanizado aumenta la tenacidad y la resistencia a la tracción, torsión y desgaste, un ejemplo son los neumáticos que contienen de un 15 a un 30% en volumen de negro de humo.
b.- Consolidados por dispersión La resistencia y la dureza de las aleaciones metálicas pueden aumentarse mediante la dispersión uniforme de finas partículas de material muy duro e inerte. Ejemplo: - La resistencia a elevadas temperaturas de las aleaciones del Ni aumenta significativamente por adición de un 3% en volumen de torio (ThO 2) como partículas finamente dispersadas. Se denomina TD(Ni con Th dispersa) 2.- Materiales compuestos reforzados con fibras.Sus características principales son elevada resistencia y rigidez a baja densidad. Ejemplos: - Fibra de vidrio con vinilister o poliéster - Fibra de carbono - Fibra de SiC 3.- Materiales compuestos híbridos.Es reforzado con fibras pero se obtiene utilizando dos o más clases diferentes de fibras en una única matriz. 4.- Materiales compuestos estructurales.Los más usados son: - Compuestos laminares - capas apiladas - Paneles sandwich – capas separadas por un material menos denso Sus propiedades dependen de la geometría del diseño y de los elementos componentes, son homogéneos y rígidos. MATERIALES SEMICONDUCTORES.Estos tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos, son extremadamente sensibles a la presencia de diminutas concentraciones de átomos de impurezas las que deben controlarse en regiones espaciales muy pequeñas. Hoy
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son la base de la industria electrónica. Los semiconductores posibilitan la fabricación de diodos, circuitos integrados, transistores, rectificadores, etc. Los dos semiconductores elementales son el Si y el Ge, las aplicaciones de este último se ven limitadas por su alto costo y en muchos casos se investiga su reemplazo por materiales más económicos. Generalidades sobre el Silicio: -Nº atómico=14 Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxigeno, no existe en estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de Si (SiO2) y de silicatos complejos. Se utiliza en la composición de aceros y fundiciones de Fe, los núcleos de los transformadores eléctricos se fabrican con aceros al Si (2,5 a 4% de Si) pues la aleación presenta baja histéresis, también en las aleaciones de cobre como bronce y latón. Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados. El SiO2 (arena y arcilla) es un importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la producción de cemento Pórtland; es un abrasivo de los más importantes y también se usa como fertilizante en la agricultura. Se usa en laseres y siliconas. Es el material base para la creación de obleas o chips que se implantan en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. CAPITULO 2.ESTRUCTURAS ATOMICAS Y ENLACES INTERATOMICOS
Algunas de las propiedades más importantes de los materiales sólidos dependen de la interacción que existe entre los átomos, y su disposición geométrica. Muchos fenómenos que implicaban comportamiento atómico y subatómico no se podían explicar con la mecánica clásica por lo que surgió la mecánica cuántica y la primera consecuencia fue el modelo de Bohr, donde se supone que los electrones giran alrededor del núcleo, el que esta compuesto por protones y neutrones. Cada elemento químico se caracteriza por su Nº atómico que es el número de protones en el núcleo y para un átomo eléctricamente neutro, que es lo que generalmente ocurre, coincide con el número de electrones. La masa atómica de un átomo se puede expresar como la suma de las masas de los protones y los neutrones, el número de protones es igual en todos los átomos de un mismo elemento, pero el de neutrones puede variar, así los átomos de un mismo elemento pueden tener dos o mas masas atómicas los que se denominan isótopos, por lo que el peso atómico corresponde al peso ponderado de las masas atómicas de los isótopos.
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ENLACES ATOMICOS EN SOLIDOS Estas atracciones son causadas por la estructura electrónica de los átomos, en general estas estructuras son estables cuando la capa exterior tiene 8 electrones a excepción de la primera que es estable con 2 electrones. Si no lo son, pueden lograrlo a través de los siguientes mecanismos: -recibir electrones extras -dar electrones -compartir electrones En los sólidos existen tres tipos de enlace químico primario: Enlace Iónico.-
Se caracteriza por dar y recibir electrones, siempre existe en compuestos formados por elementos metálicos y no metálicos. Los átomos de un elemento metálico dan fácilmente sus electrones de valencia a átomos de un no metal, que a su vez es un buen receptor de electrones Las fuerzas atractivas del enlace son fuerzas de Coulomb, donde las cargas positivas y negativas se atraen entre sí. Los materiales iónicos se caracterizan por la dureza, fragilidad, alta temperatura de fusión y aislantes térmicos y eléctricos, un buen ejemplo son los materiales cerámicos. Otro ejemplo es el cloruro de sodio donde el mecanismo de ionización ocurre de la siguiente forma. Na=11
Cl=17
Por ejemplo, durante la reacción del sodio con el cloro: Sodio (en la izquierda) pierde su única valencia de electrones al cloro (a la derecha)
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Resultando en un ión de sodio cargado positivamente (izquierda) y un ión de cloro cargado negativamente (derecha).
La condición principal para que exista la unión iónica es que haya igual numérico de cargas negativas y positivas, el ión positivo de sodio muestra igual atracción hacia los seis iones negativos vecinos de cloro. Los iones positivos se llaman cationes y los negativos aniones. Enlace Covalente
Se puede lograr una configuración estable de este tipo si los átomos adyacentes comparten electrones de sus capas más externas. Existen uniones monoatómicas compartiendo uno o más electrones, por ejemplo: H=1
N=7
Las combinaciones poliatómicas son también comunes, por
Ejemplo: Metano C=6, es estable con 8 electrones H=1, es estable con 2 electrones
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Este tipo de enlaces puede ser muy fuerte como en el caso del diamante, lo que se demuestra por su gran dureza y su elevada temperatura de fusión aproximadamente 3500 ºC. En este caso cada átomo de carbono tiene 4 electrones en su capa exterior los cuales son compartidos con 4 átomos vecinos para formar una retícula tridimensional enteramente ligada por pares covalentes. Diamante:
Pero también esta unión covalente puede ser muy débil como el caso del bismuto que funde a 270ºC. Para el caso de gases como el metano el enlace covalente no tiene altos puntos de fusión o de gran resistencia ya que la molécula resultante presenta pequeña atracción hacia las moléculas vecinas debido a que los electrones en la periferia están ya satisfechos y actúa casi independiente de las otras moléculas, en consecuencia el metano no se condensa hasta que la temperatura baja a menos 161ºC esto ocurre también en los gases nobles, además es típico de los materiales poliméricos. En realidad muy pocos compuestos tienen enlaces puros la mayoría surgen de combinaciones de los enlaces. Enlace Metálico
Este tipo de enlace se presenta en los metales sólidos los que se caracterizan por tener pocos electrones en su última capa, estos se unen débilmente a los núcleos y electrones restantes por lo que son fácilmente separados y forman una nube o gas electrónica. Un sólido metálico está formado por núcleos de iones positivos, es decir, átomos sin sus electrones de valencia y por electrones de valencia dispersos que cubren una gran extensión del espacio.
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Enlaces Químicos Secundarios: Ocurren principalmente en líquidos y gases, y se generan por la formación de dipolos eléctricos. Estos existen cuando se crean centros de cargas positivas y negativas.
Los dipolos eléctricos interaccionan entre sí mediante fuerzas electrostática debido a que el núcleo expuesto del dipolo es atraído por los electrones no compartidos de otro dipolo, este tipo de enlace secundario se denomina fuerzas de Van der Waals, otro tipo de unión débil es el que resulta de la polarización transitoria causada por los movimientos al azar de los electrones y el consiguiente desequilibrio eléctrico transitorio. Esta polarización transitoria y al azar es llamada muchas veces efecto de dispersión. Un tercer tipo de unión débil es el llamado puente de hidrógeno y ocurre por la atracción del núcleo expuesto del hidrógeno hacia los electrones no compartidos de elementos muy electronegativos como son el F, O, N y el Cl.
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DISPOSICIÓN ÁTOMICA EN LOS MATERIALES Las propiedades de los materiales se ven afectadas por el modo en que se encuentran distribuidos los átomos en el espacio, y frecuentemente se clasifica a los materiales en tres grupos. -
Estructuras moleculares, las que se forman con grupos de átomos. Estructuras cristalinas, que se forman con modelos repetidos de átomos, y Estructuras amorfas, que no presentan formas específicas.
Estructuras Cristalinas
Ocurren cuando los átomos de un sólido están ordenados según una disposición geométrica muy bien definida que se repite en las tres dimensiones, este acomodamiento realizado en la forma mas ordenada y compacta posible permite elevar al máximo la interacción electrostática entre átomos. El modelo sobre la estructura de los materiales que se acepta como valido en la actualidad consiste básicamente en lo siguiente: -
- los materiales están formados por átomos. - se considera que los átomos se comportan como esferas sólidas - átomos de diferente naturaleza química se modelan como esferas de diferente tamaño,
este queda definido por su radio. - los átomos se enlazan entre si para dar cohesión al material - la forma de agruparse los átomos no es aleatoria
Podemos definir entonces: -Estructura cristalina: se refiere al tamaño, la forma y la organización atómica dentro de la red de un material. -Red: conjunto de puntos, conocidos como puntos de red, que están ordenados de acuerdo a un patrón que se repite en forma idéntica. -Puntos de Red: puntos que conforman la red cristalina. Lo que rodea a cada punto de red es idéntico en cualquier otra parte del material. -Celda unitaria: es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red.
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Estos átomos forman grupos regulares y repetidos llamados cristales y se clasifican en una serie de 14 sistemas como son: cúbico, hexagonal, ortorrómbico, tetragonal, etc. La mayor parte de los metales cristalizan al solidificar en tres sistemas:
- Cúbica de cuerpo centrado Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio. -Cúbica de caras centradas Cada átomo está rodeado por doce átomos adyacentes y los átomos de las caras están en contacto. Está constituida por un átomo en cada vértice y un átomo en cada cara del cubo. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro gama, cobre, plata, platino, oro, plomo y níquel.
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-Hexagonal compacta Esta estructura está determinada por un átomo en cada uno de los vértices de un prisma hexagonal, un átomo en las bases del prisma y tres átomos dentro de la celda unitaria. Cada átomo está rodeado por doce átomos y estos están en contacto según los lados de los hexágonos bases del prisma hexagonal. Los metales que cristalizan en esta forma de estructura son: titanio,
magnesio, cinc, berilio, cobalto, circonio y cadmio.
Los materiales que tienen más de una estructura cristalina se denominan alotrópicos, esto proporciona la base para algunos tipos de tratamientos térmicos. Esta transformación puede acompañarse de un cambio volumétrico, el cual de no ser controlado genera distorsiones en la estructura. DEFECTOS E IMPERFECCIONES CRISTALINAS Realmente no existen cristales perfectos sino que contienen varios tipos de imperfecciones y defectos, que afectan a muchas de sus propiedades físicas y mecánicas y también influyen en algunas propiedades de los materiales a nivel de aplicación ingenieril tal como la capacidad de formar aleaciones en frío, la conductividad eléctrica y la corrosión. Las imperfecciones se clasifican según su geometría y forma así tenemos: · Defectos puntuales o de dimensión cero · Defectos lineales o de una dimensión llamados también dislocaciones · Defectos de dos dimensiones También deben incluirse los defectos macroscópicos tales como fisuras, poros y las inclusiones. DEFECTOS PUNTUALES VACANTE Constituye el defecto puntual más simple. Es un hueco creado por la perdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Puede producirse durante la solidificación por perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. También puede producirse por reordenamientos atómicos en el cristal ya formado como consecuencia de la movilidad de los átomos. (Figura 1)
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Figura 1. Vacante DEFECTOS INSTERSTICIALES Algunas veces, un átomo extra se inserta dentro de la estructura de la red en una posición que normalmente no está ocupada formando un defecto llamado “Defecto intersticial” .Generalmente este tipo de defecto introduce relativamente grandes distorsiones en los alrededores puesto que normalmente el átomo es sustancialmente más grande que la posición intersticial en la que se sitúa. Consecuentemente la formación de este defecto no es muy probable. (Figura 2)
Figura 2. Defecto Intersticial IMPUREZAS EN SÓLIDOS Este defecto se introduce cuando un átomo es reemplazado por un átomo diferente. El átomo sustituyente puede ser más grande que el átomo original y en ese caso los átomos alrededor están a compresión ó puede ser más pequeño que el átomo original y en este caso los átomos circundantes estarán a tensión. Este defecto puede presentarse como una impureza o como una adición deliberada en una aleación. (Figura 3)
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Figura 3. Impurezas o reemplazamientos DEFECTO FRENKEL Es una imperfección combinada Vacancia – Defecto intersticial. Ocurre cuando un ion salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una vacancia. (Figura 5)
Figura 5. Defecto Frenkel DEFECTO SCHOTTKY Es un par de vacancias en un material con enlaces iónicos. Para mantener la neutralidad, deben perderse de la red tanto un catión como un anión. (Figura 6)
Figura 6. Defecto Schottky Otro defecto puntual importante ocurre cuando un ion de una carga reemplaza otro ion de diferente carga. Por ejemplo un ion de valencia +2 reemplaza a un ion de valencia +1. En este caso una carga extra positiva se introduce dentro de la estructura. Para mantener un balance de carga, se debe crear una vacante de una carga positiva (Enlaces iónicos). Figura7
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Figura 7. Defecto por reemplazamiento por iones de diferente carga DEFECTOS DE LINEA (DISLOCACIONES) Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Se crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos o por deformación plástica, por condensación de vacantes. Hay dos tipos de dislocaciones, las de cuña y las helicoidales. También puede darse una combinación de ambas, denominada dislocación mezcla. DISLOCACIÓN DE CUÑA Se crea por inserción de un semiplano adicional de átomos dentro de la red. Los átomos a lado y lado del semiplano insertado se encuentran distorsionados. Los átomos por encima de la línea de dislocación, que se encuentra perpendicular al plano de la página, en el punto donde termina el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que están por debajo se encuentran apartados. Esto se refleja en la leve curvatura de los planos verticales de los átomos mas cercanos del extra semiplano. La magnitud de esta distorsión decrece con la distancia al semiplano insertado.
Figura 8. Dislocación de cuña La distancia de desplazamiento de los átomos en torno a una dislocación se llama DESLIZAMIENTO o vector de Burgers y es perpendicular a la línea de dislocación de cuña.
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DISLOCACIÓN HELICOIDAL Esta dislocación se forma cuando se aplica un esfuerzo de cizalladura en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante. Figura 9.
Figura 9. Dislocación helicoidal Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de dislocación. DISLOCACIONES MIXTAS Con frecuencia los cristales exhiben mezcla de las dislocaciones anteriores. Su vector de Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación, pero mantiene una orientación fija en el espacio. La estructura atómica local en torno a la dislocación mixta es difícil de visualizar, pero el vector de Burgers proporciona una descripción conveniente y sencilla. (Figura 10)
Figura 10. Dislocación mixta
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DEFECTOS INTERFACIALES O SUPERFICIALES Los defectos superficiales son los límites o bordes o planos que dividen un material en regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero diferente orientación. SUPERFICIE EXTERNA Las dimensiones exteriores del material representan superficies en las cuales la red termina abruptamente. Los átomos de la superficie no están enlazados al número máximo de vecinos que deberían tener y por lo tanto, esos átomos tienen mayor estado energético que los átomos de las posiciones internas. Los enlaces de esos átomos superficiales que no están satisfechos dan lugar a una energía superficial, expresada en unidades de energía por unidad de área (J/m 2 o Erg/cm2). Además la superficie del material puede ser rugosa, puede contener pequeñas muescas y puede ser mucho más reactiva que el resto del material. BORDES DE GRANO Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales de diferentes orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos.
El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están uniformemente separados, o sea que hay átomos que están muy juntos causando una compresión, mientras que otros están separados causando tensión. De cualquier forma los límites de grano son áreas de alta energía y hace de esta región una más favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados.
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SOLUCIONES O ALEACIONES La mayor parte de los materiales de ingeniería son combinaciones, muy pocos metales se utilizan en estado puro o casi puro. Por ejemplo: Cu electrolítico (99,99 %) para cables eléctricos, Zn para recubrimientos, Al (99,99%) decorativo y otros, pero estos mecánicamente no son buenos. Luego con una aleación que es una mezcla de dos o más metales, o un metal y un no metal, pueden conseguirse mejores propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión u otras propiedades de interés. La aleación puede ser muy simple de tipo binario (dos metales) como el latón (Cu 70% y 30% Zn). O muy compleja como las superaleaciones de base Ni llamadas Inconel 718 utilizada para componentes de motores a reacción que contiene mas de 10 elementos en su composición nominal. Luego definiremos a una solución sólida como la mezcla en estado sólido de uno o más solutos en un solvente y es considerada una solución en lugar de un compuesto, siempre que la estructura cristalina del disolvente permanezca sin cambios al ser sustituidos sus átomos por los átomos de los solutos y además la mezcla permanezca homogénea. El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente mediante sustitución, reemplazando cada partícula del disolvente por una partícula del soluto, o bien de forma intersticial, introduciéndose cada partícula del soluto dentro del espacio que hay entre partículas del disolvente. Ambos tipos de solución afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea leve, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente. . Según lo anterior podemos encontrar en estado sólido dos tipos de soluciones: -Solución sólida sustitucional: algunas condiciones que deben cumplirse para que exista solubilidad son: -los tamaños (radio) electrónicos no deben diferir mas de un 15% -deben tener la misma estructura cristalina -no deben haber diferencias en la electronegatividad y tener la misma valencia. -Solución sólida intersticial: átomos de pequeño tamaño como el H, C, N y O actúan de soluto situándose en los espacios de los disolventes. En general las soluciones o aleaciones sólidas metálicas se originan en una primera etapa en estado líquido, luego del cual se pasa al estado sólido mediante moldes o colada continua. El proceso de solidificación es determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda defectuoso, en esta etapa, será muy difícil efectuar las correcciones en el procesamiento posterior. Defectos frecuentes de la etapa de fusión y solidificación son:
porosidades micro grietas inclusiones no metálicas
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segregación de elementos de aleación formas de granos muy heterogéneas (por ejemplo: granos muy alargados y granos pequeños) rechupes, (huecos debidos a la contracción del metal líquido al solidificarse y que no han sido llenados por más metal líquido).
La obtención de un producto sano por solidificación no es simple y requiere un profundo conocimiento acerca de la relación entre diferentes variables. Durante la solidificación se forman muchos núcleos simultáneamente y cada uno de ellos crecerá y formara un grano de material.
La solidificación del material se da por medio de un proceso de nucleación y crecimiento. Cuando el material es puro, es decir cuando esta formado por átomos de la misma naturaleza química, todos los granos que se forman durante la solidificación poseen la misma estructura cristalina. Cuando el material posee impurezas (átomos de diferente naturaleza química), pueden formarse granos con diferente estructura cristalina. La micro estructura del material no es mas que el conjunto de granos (ya sean iguales o diferentes) observados por medios de un microscopio óptico.
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Micro estructura de un acero mostrando granos con dos Estructuras cristalinas diferentes. En la micro estructura del material, al conjunto de granos que poseen la misma estructura cristalina y las mismas propiedades se le llama fase. En la fotografía anterior, el material esta formado por dos fases: la fase clara y la fase oscura. Cada fase esta formada por muchos granos. Todos los granos que pertenecen a la misma fase tienen la misma estructura cristalina y las mismas propiedades. En estado sólido un material puede poseer varias fases sólidas. La combinación de estas fases define las propiedades del material. DIAGRAMAS DE FASE Los materiales en estado sólido pueden estar formados por varias fases. La combinación de estas fases define muchas de las propiedades que tendrán el material. Por esa razón, se hace necesario tener una herramienta teórica que permita describir las fases que estarán presentes en el material. Esa herramienta teórica se llama diagrama de fase, los que se construyen a partir de las curvas de enfriamiento de los componentes.
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Curva de enfriamiento del hierro puro. Las fases sólidas en un material tienen las siguientes características:
los átomos que forman la fase tienen la misma estructura o arreglo atómico. La fase tiene la misma composición química en todo su volumen. Presenta las mismas propiedades físicas. Posee una interfase definida con su entorno.
Los materiales puros solamente poseen una fase. Las aleaciones pueden poseer dos o más fases presentes al mismo tiempo. Una aleación se define como una solución en estado sólido. Una solución no es más que la mezcla de dos o más elementos químicos. Un diagrama de fases es un “mapa” que describe las fases presentes en un material en función de variables termodinámicas. Cuando se mezclan dos o más elementos para formar una aleación, se pueden dar las siguientes situaciones: 1. existe solubilidad ilimitada produciéndose una fase sólida. El ejemplo típico de este caso es cuando se mezclan agua y alcohol. Para el caso de dos metales, el cobre y el níquel tienen solubilidad ilimitada, formándose una sola fase en estado sólido.
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2. existe solubilidad limitada, lo cual significa que un de los componentes puede disolverse hasta cierto limite en el otro. En este caso se producen dos o más fases en la solución. El ejemplo típico es mezclar sal con agua. En ciertas cantidades, la sal se disuelve completamente en el agua, creando una fase (agua salada). Después de cierto limite, la sal no se disuelve mas, generándose dos fases (agua salada + sal no disuelta). Para el caso de los metales, el cobre y el zinc tienen solubilidad limitada generándose varias fases en estado sólido.
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Diagrama hierro carbono.-
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CAPITULO 3.PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Son las capacidades que posee cada material para responder a cualquier tipo de acción. Se pueden distinguir una gran variedad de propiedades, entre ellas tenemos: mecánicas, térmicas, eléctricas, químicas y ópticas, que nos interesan por ahora. 3.1 PROPIEDADES MECANICAS Podemos estudiarlas según el tipo de carga al cual están sometidas y en cada grupo veremos las más importantes:
-Propiedades mecánicas estáticas: -elasticidad -resistencia -plasticidad -dureza -tenacidad* -Propiedades mecánicas estáticas repetitivas: -capacidad de amortiguación -Propiedades mecánicas dinámicas: -resistencia a la fatiga -limite de durabilidad 3.1.1 Propiedades Mecánicas Estáticas
Elasticidad.-
Es la capacidad que posee un material de aceptar cargas externas produciéndose una deformación, la que desaparece, cuando se retira esta carga externa volviendo el material a su estado inicial. Cuando aplicamos una carga (fuerza externa) a un cuerpo este reacciona, generándose en el una tensión o esfuerzo y una deformación.
Tensión o Esfuerzo: son las fuerzas internas que aparecen en los elementos sometido a cargas y se transmiten a través de todo el material. Se distinguen generalmente dos tipos:
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a) Esfuerzos normales (σ): son aquellos que surgen cuando la carga aplicada es normal a la
sección o área del elemento mecánico y son de tracción y compresión. Se determinan de la siguiente forma: P= carga externa en kgf llamada fuerza de tracción o compresión según sea el caso. A=área o sección del elemento en mm² Esfuerzo de tracción y compresión
b) Esfuerzos tangenciales ( ): son aquellas fuerzas internas de reaccion que aparecen cuando la carga es aplicada paralela o tangente a la sección de un elemento, estos se presentan en casos de aplicación de un esfuerzo cortante o de un momento torsor.
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F= fuerza externa en kgf llamada fuerza de cizalle A= área o sección paralela a la carga en mm² - Deformación (ξ): es el cambio de las dimensiones iniciales con respecto a las finales cuando se aplica una carga, la magnitud más simple para medirla es la deformación unitaria y se define como el cambio de longitud por unidad de longitud inicial: Para el caso de esfuerzo normal:
Para el caso de esfuerzo cortante es el cuociente entre la cantidad de desplazamiento por cizalle (∆x) y la distancia (l) sobre la que actúa la cizalla ∆x γ = ---- = tgΘ
l
En la mayoría de los materiales cuando son sometidos a cargas, la relación entre el esfuerzo o tensión y la deformación es de tipo lineal (proporcional), esto ocurre en el sector donde la deformación no es permanente y se obtiene la siguiente grafica: Para esfuerzos normales:
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σ = constante x ξ
σ = E x ξ
σ E= — ξ
Donde E representa la pendiente de la curva en la zona elástica y recibe el nombre de modulo de elasticidad o modulo de Young. Es una medida de la rigidez y es propio de cada material. Para esfuerzos tangenciales en la zona elástica la proporcionalidad entre la deformación y el esfuerzo cortante es:
= constante x γ
=Gxγ
G=— γ
Donde G recibe el nombre de modulo de elasticidad en cortante o cizalle; y también se conoce como modulo de rigidez. Otros términos relacionados con la elasticidad son: - Elasticidad no lineal Existen algunos materiales por ej., fundición gris y hormigón, para los cuales la porción elástica inicial del diagrama σ v/s ξ no es lineal, por lo tanto no es posible determinar un E tal como ha sido descrito anteriormente. Cuando se produce este tipo de comportamiento no lineal se utiliza el módulo tangente o bien el modulo secante.
El modulo tg se toma como la pendiente de la curva tension-deformacion a algun determinado nivel de la σ. El modulo secante representa la pendiente de una secante trazada desde el origen hasta algún punto determinado de la curva.
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Anelasticidad (viscoelasticidad) Hasta ahora se ha supuesto que la deformación elástica era independiente del tiempo, es decir se ha supuesto que al retirar la carga, la deformación vuelve a cero en forma instantánea. En muchos materiales sin embargo existe una componente de deformación elástica que depende del tiempo, es decir la deformación elástica continúa aumentando después de aplicar la carga y al retirar la carga se requiere que transcurra algún tiempo para que el material se recupere totalmente. Esta componente elástica dependiente del tiempo se denomina anelasticidad. En los metales la componente anelástica es pequeña y despreciable , pero en algunos polímeros su magnitud es importante y este comportamiento se denomina viscoelesticidad. -
-
Homogeneidad Estado ideal que supone propiedades idénticas en toda la extensión del material.
Isotropía Aptitud que presenta un material para poseer simetría elástica, es decir el material tiene las mismas propiedades elásticas en todas las direcciones, en cada punto del cuerpo. Si un material no tiene ninguna clase de simetría elástica se denomina anisótropo. -
Coeficiente de Poisson El coeficiente de Poisson ( ) es un parámetro característico de cada material que indica la relación entre las deformaciones relativas en sentido transversal que sufre el material y las deformaciones relativas en dirección de la fuerza aplicada sobre el mismo. Así, si sobre el cuerpo de la figura se aplica una fuerza de tracción en dirección x se produce un alargamiento relativo ex en esa dirección y un acortamiento relativo e y y ez en las dos direcciones transversales, definiéndose el coeficiente de Poisson como: Escriba aquí la ecuación. -
El coeficiente de Poisson está comprendido entre 0 y 0.5, siendo su valor alrededor de 0.3 para gran parte de materiales, como el acero. El modulo de cizalle y el modulo elastico se relacionan a traves de este coeficiente mediante la siguiente relacion: = 2 − 1
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Plasticidad.-
Es la capacidad que tiene un material para quedar deformado permanentemente. Esta propiedad se mide a través de la ductilidad la que se expresa en términos de reducción de área o estriccion y se determina: Área inicial – Área final
∑=
x 100
(%)
Área inicial
Un término asociado a la ductilidad es la maleabilidad, que es la capacidad que tiene un material para deformarse permanentemente a través de un trabajo mecánico sin llegar a la ruptura. Estos materiales se pueden transformar en láminas o hilos muy delgados en procesos de laminación y trefilación. El grado de maleabilidad es distinto al grado de ductilidad. Otro término asociado es la fragilidad, esta ocurre cuando un material falla sin mostrar ductilidad y se relaciona con materiales de alta dureza. La mayoría de los materiales presentan curvas sin un punto definido donde termine la zona elástica y comience la plástica. Para esto se elige arbitrariamente una pequeña cantidad de deformación permanente y se ha acordado elegir este punto denominado esfuerzo de cedencia cuando tiene lugar un 0,2 % de deformación plástica, desde el cual se traza una paralela a la zona elástica hasta cortar la curva σ v/s ξ, el punto cortado por esta línea será el punto de fluencia o cedencia. Estos valores pueden variar, por ejemplo en el Reino Unido se utiliza un 0,1 % de deformación permanente
Dureza .
Es la resistencia que opone un material a la deformación permanente, la que se realiza a través de una penetración o rayado. Esta se consigue por varios métodos como son: Brinell, Rockwell, Vickers, Shore, etc.
Tenacidad.-
Es una medida de la energía requerida para hacer fallar un material. Esta asociada a la resistencia de impactos antes de fracturarse. Sus valores se determinan dividiendo el trabajo requerido por el área o sección transversal. En el grafico σ v/s ξ el valor comparativo
esta determinado por el área bajo la curva esto permite evaluar semejanzas entre los distintos materiales. El área bajo la curva en la zona elástica recibe el nombre de resiliencia y se define como la habilidad del material para absorber energía dentro del límite de proporcionalidad.
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3.1.2 Propiedades Mecánicas Estáticas Repetitivas
Capacidad de Amortiguación
Es la habilidad que tiene un material para absorber vibraciones mecánicas en forma muy rápida. Su comportamiento se puede describir de la siguiente forma:
Si el proceso de carga y descarga se realiza dentro del rango OA, la curva será una recta. Si la carga llega a B que corresponde a la zona plástica y se descar ga, la curva σ-ξ vuelve a C, línea que es aproximadamente paralela a OA. La deformación permanente es OC. Al cargar nuevamente se obtiene CD distinto al camino seguido durante la descarga. Al ser plásticamente deformado el material, este se endurece por trabajo lo que hace que el límite de fluencia se eleve hasta D y la zona elástica se prolonga. Más allá de D ocurren nuevamente deformaciones plásticas, si en E se descarga y se aplica una nueva carga se obtiene un nuevo ciclo: El área encerrada por estas dos trayectorias se llama ciclo de histéresis. La energía representada por este ciclo es igual a la energía por unidad de volumen que se transforma en calor dentro del material durante el ciclo de carga y descarga. K= E / z K= Energía consumida por unidad de volumen. E= Consumo de energía por unidad de tiempo. z= Volumen removido por unidad de tiempo. Es decir este ciclo indica que parte de la energía mecánica que se introdujo en el material durante el ciclo se convirtió en calor. Ejemplo: Fundiciones de hierro. Los materiales que al golpearlos tienen una vibración continuada, es un indicador de una baja capacidad de amortiguación.
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3.1.3 Propiedades Mecánicas Dinámicas
Para piezas en movimiento las que se someten a una gran cantidad de variaciones en la tensión aplicada (ciclos), estas se fracturan a valores mucho menores que la tensión máxima que soportaría en un ensayo estático. Es probable que más componentes metálicos fallen por esta razón que por cualquier otra causa mecánica. Estas fracturas que ocurren bajo tensiones repetitivas o cilicas se denominan fracturas por fatiga. La falla por fatiga ocurre por la aplicación repetida de pequeñas cargas, las cuales por si mismas son incapaces de producir deformación plástica que pueda detectarse, con el tiempo estas cargas hacen que se genere una grieta y se propague a través de la pieza. Se producen fundamentalmente debido a elementos concentradores de esfuerzos como fisuras, tensiones residuales, terminaciones muy agudas en cambios de sección, etc.
-
Los valores a considerar en fallas por fatiga son: Limite de durabilidad.- vida útil en horas o minutos de las piezas en movimiento. Resistencia a la fatiga.- valor aleatorio por condiciones de trabajo, se prueba.
Factores que afectan a la fatiga.1.- Concentración de tensiones.- diseño geométrico cuidadoso para evitar los aumentadores de tensión siempre que sea posible. 2.- Rugosidad superficial.- cuanto mas liso sea el acabado superficial mayor será la resistencia a la fatiga. Las superficies rugosas facilitan la formación de grietas por fatiga. 3.- Estado superficial.- los tratamientos térmicos mal hechos pueden generar tensiones residuales que afectan la superficie. Si se realizan bien aumentan la resistencia a la fatiga. 4.- Medio ambiente.- un ambiente corrosivo (ataque químico) durante la tensión cíclica acelera bastante la velocidad a la cual se propagan las grietas por fatiga. Otras Propiedades .-
Capacidad de Maquinado.- Consiste en eliminar en el menor tiempo posible la mayor cantidad de material, obteniéndose una superficie razonablemente terminada a costo mínimo. No es fácil de medir ya que los mecanizados se realizan en distintas maquinas y con distintas herramientas y las operaciones son también diferentes lo que hace difícil definirla exactamente para poder realizar comparaciones. Costo.- No es una propiedad del material, pero con frecuencia es el factor preponderante en la selección del material y su cifra más significativa es el costo por unidad de vida útil. Esto significa pagar más por fuerza si así se logra aumentar la vida útil, esto implica disminuir los costos de mantenimiento y reposición.
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Propiedades Térmicas.Temperatura.- es la característica de los cuerpos que mide el estado continuo de movimiento que existe en los átomos, es decir mide el nivel de actividad o agitación térmica en un momento dado. Cualquier cambio que se produce en una de las características de un cuerpo se debe a la actuación de una forma de energía. Un cambio en la temperatura será entonces debido a una forma de la energía que llamaremos energía térmica, energía calorífica o simplemente calor.
Q = Ce x m x ∆t
Energía: capacidad para realizar trabajo. El calor se transforma en movimiento por lo tanto puede suministrar trabajo. La energía mecánica se transforma en calor o viceversa. Unidades: -1 BTU: energía requerida para aumentar la temperatura de una libra de agua en 1º F. -1 Caloría: para medir la cantidad de calor se define una unidad basada en el efecto que este calor produce, es decir, en el aumento de temperatura producido. Esta unidad llamada caloría se define como la cantidad de calor que necesita un gramo de agua destilada para elevar su temperatura en 1º C. a.- Calor especifico: es la relación de la capacidad de almacenar calor de un material con respecto a la del agua o la cantidad de calor necesario para elevar en 1º C la temperatura de un gramo de la sustancia considerada, sus unidades son: BTU/ lb ºF o cal/gr ºC . Formas como se transmite el calor: - Por conducción-entre solidos - Por conveccion-entre solidos, líquidos y gases - Por radiación-sin un medio b.- Coeficiente de expansión térmica cuando ocurren cambios descontinuados de volumen con cambios de estado, existe un cambio en el acomodamiento de los átomos y moléculas dentro del material, esto a causa de que la expansión es sensible a la temperatura , se expresa en cm/cm º C o in/in ºF. Es el cambio de volumen a causa de los cambios en la temperatura. La mayoría de los materiales solidos se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados. El cambio de longitud con la temperatura puede expresarse como: ∆L = Lf – Lo = Lo x α x (Tf – To) Donde: α = coeficiente de expansión lineal También se puede expresar en términos de volumen: ∆V = Vo x α x ∆T
Propiedades Eléctricas.a.- Conductividad eléctrica.- es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico. La resistividad
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es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos, dando una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura. Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en conductores, dieléctricos, semiconductores y superconductores. Propiedades Químicas.a.- Oxidación.- es una reacción química donde un compuesto cede electrones, y por lo tanto aumenta su estado de oxidación. La reacción química opuesta a la oxidación se conoce como reducción, es decir cuando una especie química acepta electrones. Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. b.- Electronegatividad.- es una medida de la fuerza de atracción que ejerce un átomo sobre los electrones de otro. Los diferentes valores de electronegatividad se clasifican según diferentes escalas, y determinan el tipo de enlace que se formará en la molécula que los combina. c.- Corrosión.- La corrosión es definida como el deterioro y perdida de volumen de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Es un fenómeno que depende del material utilizado, de la concepción de la pieza (forma, tratamiento, montaje) y del ambiente. Material.-La primera idea es escoger todo un material que no se corroa en el ambiente considerado. Se pueden utilizar aceros inoxidables, aluminios, cerámicas, polímeros (plásticos), etc. La elección también debe tomar en cuenta las restricciones de la aplicación (masa de la pieza, resistencia a la deformación, al calor, capacidad de conducir la electricidad, etc.).Cabe recordar que no existen materiales absolutamente inoxidables; hasta el aluminio se puede corroer. Concepción de la pieza.- hay que evitar las zonas de confinamiento, los contactos entre materiales diferentes y las heterogeneidades en general. Hay que prever también la importancia de la corrosión y el tiempo en el que habrá que cambiar la pieza (mantenimiento preventivo). Dominio del ambiente.-Cuando se trabaja en ambiente cerrado (por ejemplo, un circuito cerrado de agua), se pueden dominar los parámetros que influyen en la corrosión; composición química (particularmente la acidez), temperatura, presión... Se puede, agregar productos llamados "inhibidores de corrosión". Un inhibidor de corrosión es una sustancia que, añadida a un determinado medio, reduce de manera significativa la velocidad de corrosión. Las sustancias utilizadas dependen tanto del metal a proteger como del medio, y un inhibidor que funciona bien en un determinado sistema puede incluso acelerar la corrosión en otro sistema.Sin embargo, este
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tipo de solución es inaplicable cuando se trabaja en medio abierto (atmósfera, mar, cuenca en contacto con el medio natural, circuito abierto, etc.) .Propiedades Ópticas.a.- Brillo.- Es el aspecto general de la superficie de un material cuando se refleja la luz. El brillo de los materiales puede ser de dos tipos generales: Metálico y No metálico. Un material que tenga el aspecto brillante de un metal tiene un brillo metálico. Además estos materiales son completamente opacos a la luz. b.- Color .- Cuando la luz incide en la superficie de un mineral, parte de ella se refleja y parte se refracta. Si la luz no sufre absorción, el material es incoloro. Los materiales son coloreados porque absorben ciertas longitudes de onda de la luz y el color es el resultado de una combinación de aquellas longitudes de onda que llegan al ojo. Algunos materiales exhiben diferentes colores cuando la luz se transmite en direcciones cristalográficas diferentes. En algunos casos, el color es debido a cantidades apreciables de un elemento como el hierro que tiene poder de pigmentación. Los iones de ciertos elementos absorben la luz muy intensamente y su presencia en cantidades pequeñas, puede ser la causa de que el material tenga un color intenso. Algunos de ellos son el Fe, Mn, Cu, Cr, Co, Ni y V. c.- Transparencia. Según el comportamiento ante la luz, los materiales pueden clasificarse como: · Materiales transparentes: Son los que dejan pasar la luz a través de ellos sin ninguna dificultad. Un objeto visto a través de un material transparente, puede observarse perfectamente con todos sus detalles ( Ej. Vidrio de ventana) · Materiales translúcidos: Son los que dejan pasar la luz a través de él, pero transmiten una imagen difusa. Un objeto visto a través de un material translucido, es probable que solo se le distingan los contornos. · Materiales opacos: Son los que no dejan pasar la luz a través de ellos. d.- Índice de Refracción.- Cuando un haz de luz pasa de un medio a otro, o sea que atraviesa un segundo medio, pierde algo de su energía y, en consecuencia, cambia su velocidad y por ello, cambia de dirección. e.- Absorción.-En la naturaleza, los colores que conocemos son todos reflejados por la luz blanca del sol, así un objeto que es golpeado por un haz de luz absorbe todos los colores y refleja el color del espectro (arco iris) correspondiente a la onda emitida por el pigmento que posee en su superficie. Analizando este fenómeno podríamos deducir que los objetos son de todos los colores, menos del color que reflejan. Los colores que muestra el espectro (arco iris) son la combinación de los colores primarios, que no incluyen el blanco ni el negro, pues éstos se consideran valores. El blanco estaría indicando presencia de luz y el negro ausencia de luz. f.- Emisividad.- Capacidad de un material para emitir energía radiante. Se relaciona con el estudio de los cuerpos negros que son objetos teóricos o ideales que absorben toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. La sustancia que menos refleja la luz (en otras palabras, la sustancia más negra) es una aleación de fósforo y níquel, Esta sustancia fue producida, en principio, por investigadores hindúes y estadounidenses en 1980, pero perfeccionada (fabricada más oscura) por Anritsu (Japón) en 1990. Esta sustancia refleja tan sólo el 0,16 % de la luz
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visible; es decir, 25 veces menos que la pintura negra convencional. En el año 2008 fue publicado en la revista científica Nanoletters un artículo con resultados experimentales acerca de un material creado con nanotubos de carbono que es el más absorbente creado por el hombre, con una reflectancia de 0.045 %.
CAPITULO 4 MATERIALES METALICOS.-
Se pueden dividir en dos grandes grupos: 1.- Aleaciones Ferrosas 2.- Aleaciones No Ferrosas 1.- Aleaciones Ferrosas.- tienen al hierro como su principal metal de aleación, más el carbono, y conforman las aleaciones de mayor importancia en ingeniería, de las cuales dependiendo del porcentaje de carbono encontramos: 1.a -Aceros.- que contienen hierro mas carbono (0,03 a 1,7% aproximadamente) y algunas impurezas como S, P, Si y Mn. Son de costo relativamente bajo y gran variedad de aplicaciones mecánicas, las que pueden variar considerablemente cuando varia el contenido de carbono y se añaden otros metales como: Ni, Cr, Mo, V, W, Co, etc. Generando según AISI o SAE nueve grandes grupos de distintos tipos de acero Nomenclatura AISI o SAE El sistema de designación AISI/SAE utiliza cuatro dígitos para designar los aceros al carbono y aceros aleados. Para aceros al carbono el primer dígito es 1. Los dos últimos dígitos indican el contenido, de carbono en centésimas de porcentaje. Los aceros al carbono corrientes se designan 10xx (ejemplo 1045 es acero al carbono (1) sin aleación (0), con 0.45% de carbono). En los aceros aleados los dos primeros dígitos indican los principales elementos de aleación y sus rangos. A veces se intercalan letras después de los dos primeros dígitos para indicar otra característica (B indica Boro). También pueden usarse prefijos (M indica calidad corriente, E indica horno eléctrico, H indica endurecible) . Entre las distintas normas en nomenclaturas, en los distintos países o comunidades existe equivalencia en las designaciones para las aleaciones o elementos metálicos.
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1.b -Fundiciones de hierro.- son aleaciones de hierro con carbono del 2 al 5%, cantidades de silicio del 2 al 4%, del manganeso hasta 1%, bajo azufre y bajo fósforo. Se caracterizan por que se pueden vaciar de hornos para obtener piezas de muy diferente tamaño y complejidad pero no pueden ser sometidas a deformación plástica, no son dúctiles ni maleables y poco soldables pero sí maquinables, relativamente duras y resistentes a la corrosión y al desgaste. Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas más importantes son: - Algunos tipos son más fáciles de maquinar que los aceros. - Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad. - En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos. - Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como autolubricantes. - Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena resistencia al desgaste. - Por todo lo anterior representan una alternativa económica de fabricación de piezas y componentes. De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser grises, blancas, maleables, nodulares y especiales. - Fundición gris .- son muy mecanizables en todo tipo de maquinas herramientas excepto en rectificadoras, y son soldables. Sus principales aplicaciones son la fabricación de bancadas de máquinas, bloques de motores térmicos, piezas de cerrajería, etc. Son hipoeutécticas que contienen entre 2,5 y 4% de carbono, además tienen pequeños porcentajes de fósforo y silicio. Funde entre los 1200 y 1300 ºC. Tiene un peso específico de (7-7,2 kg/dm³) según sea la composición, es muy fluida y tiene la propiedad de llenar bien los moldes por dilatación al solidificarse, la superficie de su fractura es de color gris. Se caracteriza porque una parte del carbono se separa en forma de grafito al solidificarse. Propiedades:
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Resistencia a la tracción: carga de rotura a la tracción pequeña, en torno a los 15 kg/mm² y llega a los 30, 40 y 45 kg/ mm² según sea su composición. Resistencia a la compresión : para las fundiciones grises normales resulta cerca de tres veces la de la tracción, por eso, sus aplicaciones principales se da en piezas sometidas a esfuerzos de compresión, más bien que a los de tracción. Resistencia a la flexión: varía según la orientación de la sección. Resistencia al choque: resisten muy mal los choques y son frágiles porque no sufren deformaciones plásticas. Dureza: es relativamente elevada, esta varía entre 140 a 250 Brinell según sea su composición. A pesar de su elevada dureza se puede mecanizar fácilmente, porque la viruta se desprende mejor y por la presencia de grafito liberado, que lubrica el paso de la viruta sobre el corte de la herramienta. Resistencia química: la fundición tiene poca resistencia química, y se deteriora con los ácidos, los álcalis y las oxidaciones. Otras propiedades: la fundición gris no es dúctil, no es maleable; se puede soldar al latón; en la soldadura oxiacetilénica y en la eléctrica de arco. La fundición puede recibir baños galvánicos (ser niquelada, por ejemplo), ser galvanizada en caliente, estañada y esmaltada al fuego (piezas de uso doméstico y para la industria química). -Fundición blanca.-Son aquellas en las que todo el carbono se encuentra combinado bajo la forma de cementita. Todas ellas son aleaciones hipoeutécticas y las transformaciones que tienen lugar durante su enfriamiento son análogas a las de la aleación de 2,5 % de carbono. Estas fundiciones se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste, siendo sumamente quebradiza y difícil de mecanizar. Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilización industrial de las fundiciones " totalmente blancas ", quedando reducido su empleo a aquellos casos en que no se quiera ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de bolas, algunos tipos de estampas de estirar y en las boquillas de extrusión.
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Placas de cementita eutéctica FUNDICIÓN BLANCA 80X
Grafito en FUNDICIÓN GRIS 80X
-Fundición maleable.- se obtiene al tratar térmicamente la fundición blanca, y consta de dos etapas: a) Grafitización.- la fundición blanca se calienta sobre la temperatura eutectoide (mas de 940ºc) y se mantiene durante unas 3 a 20 horas, dependiendo de la composición, estructura y tamaño de la fundición. En esta etapa, el carburo de hierro blanco se transforma en carbono de revenido (grafito nodular irregular) y austenita. b) Enfriamiento.- en esta etapa, la austenita del hierro puede transformarse en tres tipos básicos de matrices: ferrita, perlita o martensita. Con esto se obtienen tres tipos de fundiciones maleables: ferríticas, perlíticas y martensíticas revenidas, las que son importantes ya que poseen propiedades deseables de moldeabilidad, mecanizado, resistencia moderada, tenacidad, resistencia a la corrosión para ciertas aplicaciones y uniformidad puesto que son tratadas térmicamente. -Fundición nodular.- también recibe el nombre de hierro dúctil, se caracteriza por su composición, la que es similar a la fundición gris en lo que se refiere a carbono y silicio. Pero en este caso el carbono como grafito, es de forma esferoidal debido a la presencia de pequeñas cantidades de magnesio y cerio que ayudan a la formación de nódulos. Al encontrarse el carbono en forma esferoidal, la continuidad de la matriz se interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar; esto da lugar a una resistencia a la tracción y tenacidades mayores que en la
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fundición gris. La fundición nodular se diferencia de la fundición maleable en que normalmente se obtiene directamente en bruto de fusión sin necesidad de tratamiento térmico posterior. Además los nódulos presentan una forma más esférica que los aglomerados de grafito, más o menos irregulares, que aparecen en la fundición maleable. En muchos casos la fundición nodular puede reemplazar a los aceros.
FUNDICIÓN NODULAR 80X
FUNDICIÓN MALEABLE 80X
1.c.- Carburos de hierro.- de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono y de las fundiciones, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorrómbica. Los microcristales de cementita o carburo de hierro son la causa de que el acero sea más duro que el hierro puro, siendo esta su principal aplicación.
2.- Aleaciones no ferrosas.- Generalidades: Los metales para fundición no ferrosos incluyen aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio. Las aleaciones de aluminio son en general las más manejables. El punto de fusión del aluminio puro es 600 ºC por consiguiente, las temperaturas de vaciado para las aleaciones de aluminio son bajas comparadas con las de las fundiciones de hierro y acero. Las propiedades que hacen
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atractivas a estas aleaciones para la fundición son: su peso ligero, su amplio rango de propiedades de resistencia que se pueden obtener a través de tratamientos térmicos y su facilidad de maquinado. Las aleaciones de magnesio son las más ligeras de todos los metales de fundición. Otras propiedades incluyen resistencia a la corrosión y altas relaciones de resistencia y tenacidad al peso Las aleaciones de cobre incluyen principalmente al bronce, latón y bronce al aluminio. Las propiedades que hacen atractivas a estas aleaciones son su resistencia a la corrosión, su apariencia atractiva y sus buenas cualidades antifricción. El alto costo del cobre es una limitación en el uso de sus aleaciones. Sus aplicaciones comprenden accesorios para tubería, aletas de propulsores marinos, componentes de bombas y joyería ornamental, entre otras.
El estaño tiene el punto de fusión más bajo de los metales de fundición. Las aleaciones a base de estaño son generalmente fáciles de fundir. Tienen buena resistencia a la corrosión, pero pobre resistencia mecánica, lo cual limita sus aplicaciones a ollas de peltre y productos similares que no requieren alta resistencia. Las aleaciones de zinc se usan comúnmente para galvanización de aceros. El zinc tiene un punto de fusión bajo y buena fluidez, propiedades, que lo hacen altamente fundible. Su mayor debilidad es su baja resistencia a la termofluencia, por tanto, sus fundiciones no pueden sujetarse prolongadamente a altos esfuerzos. Las aleaciones de níquel tienen buena resistencia en caliente y resistencia a la corrosión, propiedades que son adecuadas para aplicaciones a altas temperaturas, como motores de propulsión a chorro, componentes de cohetes, escudos contra el calor y partes similares. Las aleaciones de níquel también tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir. Las aleaciones de titanio, son aleaciones resistentes a la corrosión con una alta relación de resistencia- peso, Sin embargo, el titanio tiene un alto punto de fusión, baja fluidez y es muy propenso a oxidarse a elevadas temperaturas. Estas propiedades hacen que el titanio y sus aleaciones sean difíciles de fundir. CAPITULO 5.MATERIALES POLIMERICOS
Estructura molecular.Se pueden definir como un número limitado de átomos unidos fuertemente entre sí, pero dichos enlaces con otros grupos similares son relativamente débiles. Es decir las fuerzas primarias (enlaces fuertes) actúan en forma intramolecular, mientras las intermoleculares son debidas a fuerzas débiles (enlaces de tipo débil). Se conforman de materiales orgánicos y los elementos comúnmente encontrados en las moléculas son: los no metales o metaloides, H, C, O, N, Si, S y los halógenos, que poseen la aptitud para producir sales al combinarse con metales (F, Cl, Br, I, At). La mínima cantidad de una estructura molecular que mantiene todas sus propiedades químicas se denomina monómero, es decir son unidades básicas simples con estructura definida, estabilizada y
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