estructura y propiedades de los materiales

INTRODUCCION A LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

JOSE FRANCISCO MARTINEZ AGUILAR

JORGE MIGUEL CERINO MARTINEZ

introducción a las propiedades de los materiales

Clasificar los diferentes tipos de materiales

Los materiales utilizadas en ingeniería se divide en tres grupos

principales:

Tipos de materiales:

†Metálicos

†Poliméricos

†Cerámicos

†Compuestos

†Electrónicos


Metálicos

Tienen como características:

†Buena conductividad eléctrica y térmica

†Alta resistencia

†Rigidez

Son particularmente útiles estructurales o de carga. Las alineaciones

(combinaciones cátales) conceden alguna propiedad particularmente deseable

en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.

Cerámicos

†Tienen como características:

†Baja conductividad eléctrica y térmica.

†Sirven como aislantes

†Son fuertes y duros, aunque frágiles

†Quebradizos


Polímeros

Son estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas.

®Tiene baja conductividad eléctrica y térmica.

®Reducidas resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas.

Polímerostermoplásticos

En los que la cadena moleculares no están conectadas de manera rígida,

tienen buena conductividad y conformabilidad.

Polímerostermoestables

Son mas resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente

enlazadas los hacen mas frágiles .

Tienen múltiples aplicaciones entre ellas:

®Dispositivos electrónicos

®fabricación de DVD

®Envase de bebidas.


COMPUESTOS

Los materiales compuestos son estructuras en los que se combinan dos o

mas materiales para producir un nuevo material.

CARACTERISTICAS

Gran rigidez.

Resistencia a altas temperaturas.

Aislante.

APLICACIONES

Losetas cerámicas del transbordador espacial.

Industria metalúrgica.

Biomédica.

Industria automotriz.

INTRODUCCIÓN A LAS PROPIEDADES DE LOS

MATERIALES.

TIPOSDEENLACES

1. Enlace covalente.

2. Enlace iónico.

3. Enlace metálico.

ENLACECOVALENTE

Este enlace se lleva a cabo entre elementos de alta electronegatividad, es decir,entre no metales y siempre por compartición de pares de electrones.


MATERIALES.

ENLACECOVALENTEPOLAR

Propiedades de las sustancias con este tipo de enlace:

Moléculas que existen en los tres estados de agregación de la masa.

Gran actividad química.

Solubles en solventes polares.

En soluciones acuosa son conductores de electricidad.

Sus puntos de fusión y ebullición son bajos, pero mas altos que los de las

sustancias polares.


MATERIALES.

ENLACECOVALENTENOPOLAR :

Propiedades de las sustancias con este tipo de enlace:

Moléculas verdaderas y biatómicas (con dos átomos).

Actividad química media.

Baja solubilidad en agua.

No son conductores de calor ni electricidad.

Estado físico gaseoso, aunque puede existir como sólidos o líquidos.

Presentan puntos de fusión muy elevados.

Son cuerpos muy duros.

Ejemplos:

Carbono (diamante), carburo de silicio (SiC), dióxido de silicio(SiO2).


MATERIALES.

ENLACE IÓNICO

Propiedades de los compuestos con este tipo de enlace:

Sus puntos de fusión y ebullición son altos.

Fundidos o en solución acuosa son conductores de la corriente eléctrica.

Son solubles en solventes polares.

En solución son químicamente activos.

La forma del cristal es geométrica (cúbica, rómbica, hexagonal). No se

forman verdaderas moléculas sino redes cristalinas.


MATERIALES.

ENLACE METALICO

Este tipo de enlace se produce entre elementos poco electronegativos

(metales).

Los electrones que se comparten no se encuentran localizados entre los

átomos que los comparten.

Propiedades de este tipo de enlace:

Puntos de fusión y ebullición generalmente elevados.

Brillo metálico.

Tenacidad.

Dureza.

Maleabilidad (laminados, estiraje, doblado).

Ductilidad (hilos, alambres).

Alta conductividad térmica y eléctrica.


MATERIALES.

Diferenciar las características de un material cristalino y uno

amorfo.


MATERIALES.

SOLIDOS CRISTALINOS

Los cristalinos están constituidos por átomos ordenados a larga distancia, o

sea que están dispuestos de tal forma que su ordenamiento se repite en las

tres dimensiones, formando un sólido con una estructura interna ordenada.

y poseen la característica de que al romperse producen caras y planos

definidos, al igual presentan puntos de fusión definidos.

Ejemplos de sólidos cristalinos

El NaCl

La sacarosa.

Metales y aleaciones.

Algunos cerámicos.


MATERIALES.

SOLIDOS AMORFOS

Son sustancias que al ser sometidas a experimentación, ponen de manifiesto:

su resistencia a la fluencia, característica del estado cristalino (sin presentar

una tendencia a asumir la forma geométrica de los cristales ya que presentan

poca o ninguna organización estructural). Además no existe ordenamiento

periódicos de sus moléculas.

Los factores que favorecen la formación de un sólido amorfo son:

1.Alta direccionalidad del enlace.

2.Alto velocidad de enfriamiento desde el estado liquido al sólido.

3.Baja pureza del material.


MATERIALES.

CLASIFICACION DE LOS SOLIDOS AMORFOS

los sólidos amorfos se clasifican en:

1. Si están compuestos por redes tridimensionales no periódicas (vidrio).

2.Moléculas individuales de cadena larga (polímeros naturales y plásticos).

3.Ordenación intermedias entre estos dos casos limite (cristales líquidos).

METALURGIA.

Ciencia aplicada cuyo objeto es el estudio de las operaciones

industriales tendientes a la preparación, tratamiento (físico y/o

químico) y producción de metales y sus aleaciones.

En términos generales, la técnica metalúrgica comprende las

siguientes fases: Obtención del metal a partir de uno de sus minerales

(mena)Afino o purificación del metal. Preparación de aleaciones.

Tratamientos mecánicos, térmicos o termoquímicos para su mejor

utilización.

metalurgia

La primera fase comprende tres etapas: Concentración (que es la separación

de la mayor parte de la ganga o material de desecho que acompaña al

mineral). Preparación química del mineral para la etapa siguiente, por medio

de la tostación o de la calcinación.

Reducción u operación por la que el metal combinado pasa a elemento simple.

Existen diversos tipos de técnica metalúrgica, según sea el metal que se quiere

beneficiar o el proceso utilizado. Así se distinguen la siderurgia (arrabio,

hierro, acero); las metalurgias especiales (cobre, aluminio, cinc, estaño, plomo,

etc.), la pulvimetalurgia y la electrometalurgia

metalurgia

ALEACIONESSe trata de una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o

más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que

las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado

elemental (estado de oxidación nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden

contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para

su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a

temperaturas tales que sus componentes fundan.

metalurgia

ALEACIONES MAS COMUNESLas aleaciones más comunes utilizadas en la industria son:

•Acero

•Alnico

•Alpaca

•Bronce

•Constantán

•Cuproníquel

•Magal

•Magnam

•Magzinc

•Nicrom

•Nitinol

•Oro blanco(electro)

•Peltre

•Plata de ley

•Zamak

•Latón o Cuzin

•Pilin

metalurgia

PROPIEDADESLas aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y

térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los

metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad etc. pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales, que pueden tener los componentes de

forma aislada.Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo

de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se

puede apreciar en los diagramas de fase Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de

eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes.

metalurgia

Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una

temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase Hay ciertas

concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación

obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes.

metalurgia

PRINCIPIOS BÁSICOS DE METALURGIA

Los metales en estado sólido, están formados por un conjunto de cristales denominados granos, que tienen diferentes formas y tamaños según los elementos químicos que lo componen, la forma de fabricación del material: Fundido, laminado, forjado, y los tratamientos térmicos

de templado, revenidos, etc. a que fue sometido.

Las propiedades de los metales dependen justamente de esos tres factores, composición, método de fabricación y tratamientos térmicos.

metalurgia

METALURGIA BÁSICA DE LOS ACEROS

Se denomina acero a una aleación de hierro y carbono hasta 1.7% en peso, que puede o no tener agregados de otros elementos de aleación, tal como el manganeso, silicio e impurezas como el azufre y fósforo.

Para entender el comportamiento de las uniones soldadas de acero durante su ejecución y su vida en servicio necesario conocer su

metalurgia básica. Dos características fundamentales de los aceros provocan que existan un amplio rango de propiedades y

comportamientos posibles

metalurgia

a) El hierro y la mayoría de sus aleaciones, al ser calentados o enfriados a determinadas temperaturas sufren transformaciones alotrópicas

(cambios en la estructura cristalina). Esta transformación es la razón por la que un acero puede ser tratado térmicamente y obtener en el una

gran variedad de propiedades físicas;

b) Cambios en los contenidos de los elementos de aleación presentes en los aceros, causan grandes cambios en las propiedades, físicas, químicas y

mecánicas.

metalurgia

Otras aleaciones no ferrosas son las de magnesio, titanio y níquel. Las de magnesio son excepcionalmente ligeras y tienen aplicaciones

aeroespaciales.

Las aleaciones de titanio son caras, pero tienen una combinación de resistencia y ligereza que no es asequible para cualquier otro sistema de

aleación y por esta razón se usan ampliamente en las piezas estructurales de los aviones.

Las aleaciones de níquel presentan una gran resistencia a la corrosión y oxidación y son por tanto son usadas comúnmente en los procesos

industriales químicos y de petróleos.

Con la mezcla de níquel, cobalto y cromo se forma la base para las súper aleaciones de níquel, necesarias para las turbinas de gas de aviones de

propulsión a chorro y algunas baterías eléctricas.

metalurgia

LAS ALEACIONES SE DIVIDEN EN DOS TIPOS: FERROSAS Y NO FERROSAS.

La aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación.

las aleaciones no ferrosas tienen un metal distinto del hierro.

Los aceros que son aleaciones ferrosas, son las más importantes principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de

aplicaciones por sus propiedades mecánicas.

Las propiedades mecánicas de los aceros al carbono pueden variar considerablemente por trabajo en frío y recocido.

metalurgia

Cuando el contenido de carbono de los aceros se incrementa por encima de 0.3% , pueden ser tratados térmicamente por temple y

revenido para conseguir resistencia con una razonable ductilidad.

Los elementos de aleación tales como el níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros al carbono para producir aceros de baja

aleación.

Los aceros de baja aleación presentan buena combinación de alta resistencia y tenacidad, y son de aplicación común en la industria de

automóviles para usos como engranajes y ejes.

metalurgia

Las aleaciones de aluminio son las más importantes entre las no ferrosas principalmente por su ligereza, endurecibilidad por

deformación, resistencia a la corrosión y su precio relativamente bajo.

El cobre no aleado se usa en abundancia por su conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, buen procesado y costo

relativamente bajo, el cobre se alea con el zinc para formar unas serie de latones que tienen mayor resistencia que el cobre sin

alear.

metalurgia

Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes a causa de su alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes, para

ser un acero inoxidable debe contener al menos 12% de cromo.

Los hierros para fundición son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas.

Son de bajo costo y tienen propiedades especiales tales como un buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al

desgaste y durabilidad. La fundición gris tiene un alta maquinabilidad y capacidad de amortiguamiento de vibraciones,

debido a las hojuelas de grafito en su estructura.

metalurgia

ACEROS AL CARBONO

Sus propiedades dependen principalmente del carbono que tiene, contienen pequenas cantidades de (Mn, Si, P, S). No se endurecen por

temple.

• Bajo Carbono (%C < 0.25)• Columnas metálicas en líneas eléctricas

• Estructuras de casas• Carrocería de automóviles

• Clavos

• Medio Carbono (0.2 < C < 0.70)• Piezas de maquinaria en general

• Ejes, elementos de motores

metalurgia

TRATAMIENTOS TERMICOS

JORGE MIGUEL CERINO MARTINEZ

JOSE FRANCISCO MARTINEZ AGUILAR

Los lideres

TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS MATERIALES

Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se

someten los metales u otros sólidos con el fin de mejorar sus

propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la

resistencia y la tenacidad.

Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico

son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro

y carbono.

También se aplican tratamientos térmicos diversos a los

sólidos cerámicos.

Tratamiento térmico

PROPIEDADES MECÁNICAS

Las características mecánicas de un material dependen

tanto de su composición química como de la estructura

cristalina que tenga.

Los tratamientos térmicos modifican esa estructura

cristalina sin alterar la composición química, dando a los

materiales unas características mecánicas concretas,

mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos

sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.


•TENACIDAD: Es la capacidad que tiene un material de

absorber energía sin producir fisuras (resistencia al

impacto).

•MAQUINABILIDAD: Es la facilidad que posee un

material de permitir el proceso de mecanizado por

arranque de viruta.

•DUREZA: Es la resistencia que ofrece un acero para

dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o

unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del

mismo nombre.

•RESISTENCIA AL DESGASTE: Es la resistencia que

ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en

contacto de fricción con otro material.


MEJORA DE LAS PROPIEDADES A TRAVÉS DEL TRATAMIENTO

TÉRMICO

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de un

mismo metal, y en particular de los aceros, reside en la

composición química de la aleación que los forma y el

tipo de tratamiento térmico a los que se les somete. Los

tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina

que forman los aceros sin variar la composición química

de los mismos.


Esta propiedad de tener diferentes estructuras de grano con

la misma composición química se llama polimorfismo y es la que

justifica los tratamientos térmicos. Técnicamente el polimorfismo

es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas

estructuras cristalinas, con una única composición química, el

diamante y el grafito son polimorfismos del carbono. La α-ferrita,

la austenita y la δ-ferrita son polimorfismos del hierro. Esta

propiedad en un elemento químico puro se denomina alotropía.


TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos

fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades

mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos

consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en

su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas.

Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir

los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la

tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal

para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable

contar con los diagramas de cambio de fases como el de

hierro–hierro–carbono.


Los principales tratamientos térmicos son:

TEMPLE

Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero.

Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más

elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950ºC) y se enfría luego más

o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio

como agua, aceite, etcétera.


REVENIDO

Sólo se aplica a aceros previamente templados, para

disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando

parte de la dureza y aumentar la tenacidad.

El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los

aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el

temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la

dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del

temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de

enfriamiento.


RECOCIDO

Consiste básicamente en un calentamiento hasta

temperatura de austenitización (800-925ºC) seguido

de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se

logra aumentar la elasticidad, mientras que

disminuye la dureza.

También facilita el mecanizado de las piezas al

homogeneizar la estructura, afinar el grano y

ablandar el material, eliminando la acritud que

produce el trabajo en frío y las tensiones internas.


NORMALIZADO

Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir,

ausencia de tensiones internas y con una distribución

uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento

previo al temple y al revenido.


POLIMEROS, CERAMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS

OBJETIVO

CONOCER CUÁLES SON LOS MATERIALES DENOMINADOS COMO

POLÍMEROS, CERÁMICOS Y COMPUESTOS; ASÍ COMO SUS

CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES ESPECÍFICAS PARA PODER

DETERMINAR SU APLICACIÓN EN LAS NECESIDADES DE UN PROCESO

PRODUCTIVO.

POLIMEROS

Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una

sustancia cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente,

múltiplos de unidades de peso molecular bajo.

Los polímeros constan de largas cadenas moleculares o redes

constituidas de elementos de bajo peso.

Los diferentes procesos de polimerización se agrupan en dos

categorías.

•Polímeros de adición.

•Polímeros de condenación.

Polímeros, Cerámicos y Materiales compuestos

Polímeros de adición.

Son polímeros formados a partir d la unión de moléculas

monoméricas insaturadas y con apertura de su doble enlace.

•Polietileno

•Polipropileno

•Cloruro de polivinilo

•Poliestireno

•Etanoato de polivinilo

•Politetrafluoreno


Polímeros de condenación.

Se obtienen a partir del enlace entre monómeros que poseen, al menos, dos

grupos reaccionantes (monómeros bi, tri o multifuncionales) y que reaccionan con

separación de algún producto de bajo peso molecular, como agua, acido

clorhídrico, etc.

•Nylon

•Poliuretanos

•Poliésteres


Polímeros de isómeros

Los polímeros isómeros son polímeros que tienen esencialmente la

misma composición de porcentaje, pero difieren en la colocación de los

átomos o grupos de átomos en las moléculas. Los polímeros isómeros

del tipo vinilo pueden diferenciarse en las orientaciones relativas

(cabeza a cola, cabeza a cabeza, cola a cola, o mezclas al azar de las

dos.) de los segmentos consecutivos (unidades monómeras.).


Los materiales como el polietileno, el PVC, el polipropileno, y otros que

contienen una sola unidad estructural, se llaman homopolímeros. Los

homopolímeros, a demás, contienen cantidades menores de irregularidades

en los extremos de la cadena o en ramificaciones.

Por otro lado los copolímeros contienen varias unidades estructurales, como

es el caso de algunos muy importantes en los que participa el estireno.


Polimerización

La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus

monómeros se denomina polimerización.


CERAMICOS

Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden fases quecontienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentes lesconfieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. Atemperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco encomparación con los metales. Son generalmente aislantes.


Propiedades de los cerámicos

FISICAS MECANICAS QUIMICAS

•Opacidad

• Fragilidad

• Permeabilidad

• Porosidad

• Absorción de

agua

•Tenacidad

• Elasticidad

• Dureza

• Fragilidad

• Plasticidad

• Ductibilidad

• Maleabilidad

•Antialérgico

• Anticorrosivo

• Inerte

• Poca

reactividad


Obtención de la cerámica.


MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales compuestos son combinaciones de materiales diversos

como resinas epoxi, poliéster, acrílicas, poliuretanicas, con materiales

de refuerzo tales como fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras

aramidicas, etc. Sus propiedades son superiores a la simple suma de

las propiedades de sus componentes, por lo que dan por resultante

materiales de características excepcionales, muy utilizados en la

industria espacial, aeronáutica, química, náutica, etc.


Tipos

Fibras de refuerzo: Pueden ser de vidrio, de carbono, o aramidicas y estar tejidas o no. Lastejidas tienen el aspecto de una tela tipo de arpillera, en cambio las no tejidas son mantas coninfinidad de hilos cortados en diferentes direcciones y aglomeradas con un ligante para que no sedeshaga dicha manta. Resinas: Las de un uso mas generalizado son las poliéster y epoxi, esta ultimatiene condiciones mecánicas extraordinarias.

Acelerador: Este elemento sirve para modificar la velocidad de reacción en las resinas poliéster. Elde uso más común es Octoato de Cobalto, es un liquido de color azul intenso. Catalizador: Esteproducto es el encargado de la polimerización (curado) de la resina, el más usual es Peróxido de MetilEtil Cetona, es un liquido incoloro y no debe ponerse en contacto con el acelerador de cobalto ya quegenera una reacción exotérmica.


Gelcoat: Esta es la vista externa del plástico reforzado. Se trata de una resina

poliéster especialmente formulada para resistir las condiciones atmosféricas. El

gelcoat tiene una muy alta resistencia a la abrasión y confiere brillo y color a la

pieza fabricada.

Diluyente: Su función es disminuir la viscosidad de la resina o del gelcoat. El

mas difundido se llama Monómero de Estireno, y, a diferencia de lo que

generalmente uno conoce por un diluyente, este se polimeriza junto a la resina o

el gelcoat, o sea, no se evapora como un solvente.SUIN S.A. suministra las

resinas poliéster puras, preaceleradas o preaceleradas y tixotrópicas,

dependiendo de la necesidad de sus clientes.


estructura y propiedades de los materiales

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