RESUMEN- Ciencia de Materiales

Ciencia de materiales: Campo científico encargado de investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Conocimiento básico de la estructura interna, propiedades y elaboración de los materiales. Material: Sustancia con la que algo está compuesto o hecho.

Propiedades de los materiales: Físicas: Perceptibles a nuestros sentidos (Color, brillo, tamaño, textura). Químicas: Resistencia al ataque de compuestos químicos agresivos. Reactividad y estabilidad

de los materiales Mecánicas: Resistencia a impactos (Dureza, fragilidad, tenacidad). Tecnológicas: Proporcionan la factibilidad para que el material pueda convertirse en un

producto.

Cristales: Reorganización de los átomos en varias configuraciones ordenadas al momento de solidificar un material a partir de un estado líquido.

CLASIFICACIÓN DE MATERIALES

METALES Forman el 75% de la tabla periódica, son de baja valencia.

1 o más elementos metálicos (Fe, Cu, Al, Ni, Ti)Materiales compuestos por: (aleaciones) Elementos no metálicos (Ca, Ni, O)

Estructura cristalina: átomos ordenados, la forma en que los átomos se organizan determinan las propiedades de un metal particular. Los metales forman estructuras cristalinas diferentes a fin de minimizar la energía requerida para ajustarse entre sí, un mismo metal puede formar estructuras diferentes debido a un requerimiento menor de energía a dicha temperatura.

Conductores térmicos y eléctricos Resistentes y dúctiles a temperatura ambiente Buena resistencia a altas temperaturas Densos a la corrosión

Aleaciones: Dos formas básicas de aleaciones:

Aleaciones con memoria:

Aleaciones2 o más compuestos químicos, por lo menos uno siendo un metal.Soluciones sólidas Compuestos intermetálicos

Solución sólida: Aleación en donde se mantiene la estructura cristalina particular del solvente (elemento mayor). Sustitucionales: Cuando el tamaño de

los átomos de soluto son similares a los del solvente y reemplazan a los del solveten. “Zinc y Cobre”

Intersticiales: El tamaño del átomo del soluto es más pequeño y ocupa una posición intersticial (hendidura). “Acero”

Compuestos intermetálicos: Estructuras en donde los átomos de soluto están presentes en ciertas proporciones entre los átomos del solvente.

Aleaciones más comunes:Con base de Cobre:Zn-LatonesDúctil y maleable a temperatura ambiente (monedas)Forjable – Zn el centro del cristal

Aplicaciones:Conductos, extintores, tuberías para condensadores e intercambiadores de calor, plomería, bisagras, piezas de maquinaria.

Latones con plomo: el plomo aumenta maquinabilidad, reduce lo poroso, disminuye resistencia mecánica.

FePuro, poca aplicación porque es poco resistente

AlExcelente resistencia a la corrosiónElevada conductividad eléctrica y térmica (usado para utensilios de cocina)Uso para empaques, latas, partes de automóviles.Productos duraderos para el consumidorAbundanteSe puede reciclar

Al-CuImpartimos maquinabilidadDisminuye la resistencia a la corrosiónDisminuye la conductividad

Hierro-

Mg

SOLDADURA: Mejor es la TIG, punta de Tungsteno, sirve para derretir el material, y con este mismo soldar.

Fase: Porción físicamente distinta y homogénea en un material que tiene sus propias características y propiedades.

Sistemas de 2 fases: Aleaciones formadas por 2 fases sólidas considerado como mezcla mecánica. La aleación con partículas finamente dispersas “partículas de 2da fase” es un método importante de endurecer las aleaciones y controlar sus propiedades. Las partículas de 2da fase presentan obstáculos al movimiento de dislocaciones y se incrementa la resistencia.

DIAGRAMAS DE FASE – (Diagrama de equlibrio)Muestra las relaciones entre la temperatura, la composición y las fases presentes en un sistema particular de aleación bajo condiciones de equilibrio.

(((diagramas de fase binarios))) – LibroLas dentritas también están en materiales puros????

Sistema Hierro- Carbono

Curva de enfriamiento para las solidificación de los metales puros

a) FERROSOS- Acero y el hierro fundido.Contienen alto porcentaje de Hierro.

b) NO FERROSOS- Cobre, Aluminio, Níquel, Titanio. Carecen de hierro o contienen cantidades pequeñas de este.

AmorfosEstado sólido en el que las partículas no tienen una forma definida y sin estructura ordenada. Ejemplo: Vidrio

FUNDICIÓN DE METALESSe funde el metal en un horno en donde se le añaden las aleaciones normalmente en estado sólido, después de su fusión se mezcla mecánicamente hasta producir un líquido homogéneo.

CERÁMICOS POLÍMEROS COMPUESTOS SEMICONDUCTORES

MATERIALES PARA INGENIERIA

Metales

Ferrosos: mineral de origen es el óxido de hierro. Acero, acero

laminado, etc.

No Ferrosos: No contienen hierro. aluminio, cobre,

titanio, niquel, etc.

Polimeros

Termoplasticos: Nylon, polietileno,

pvc.

Termoestables: Epoxidos

Elastomeros: Hule, silicones, polietileno.

Ceramicos

Silicato

Carbonato

Circones

Alumina

Carburos

Compuestos

Matrices de metal, polimeros ceramicos

reforzados con particulas, fibras o

laminas.

UNIONES ATÓMICASSolamente los gases nobles y los metales en estado de vapor existen en la naturaleza como átomos aislados.

Elemento: Si todos los átomos unidos presentan el mismo número atómico.Compuesto: Los átomos unidos no presentan el mismo número atómico.

Enlace químico: Unión entre átomos producida por la estabilización que adquieren los átomos al unirse por medio de fuerzas.

La materia está formada por átomos. Los átomos, están formados, básicamente, por el núcleo positivo y los electrones negativos, siendo el número de cargas positivas y negativas iguales por lo que decimos el átomo es neutro. Para que un átomo sea energéticamente estable necesita tener completa su última órbita electrónica. Esto sucede cuando en la última órbita hay 8 electrones (Teoría del octeto de Lewis). Cuando un átomo no tiene completa esta última órbita tiende a soltar o captar electrones produciendo uniones atómicas que pueden ser primarias y secundarias.

PRIMARIAS1. Metálicas: Se produce en elementos que tienden a soltar sus pocos electrones de valencia ionizando positivamente y formando una nube electrónica de carga negativa. Se establece entre átomos iguales del mismo metal. 2. Iónicas: Los átomos tratan de llegar a completar el último nivel con 8 e-. Se da cuando se transfieren electrones de un elemento metálico a uno no metálico. El átomo no metálico se convierte en anión mientras el metálico en un catión. 3. Covalentes: (ENLACE MÁS FUERTE) Se trata de llegar a completar el último nivel con 8 e-. Cuando no existe suficiente diferencia de electronegatividad para que exista transferencia electrónica, resultan dos átomos compartiendo uno o más pares de electrones y forman una molécula con energía de atracción débil en resultado poseen bajos puntos de fusión y ebullición en comparación con los iónicos. Los enlaces pueden ser simple, doble y triple, según la forma de compartir uno, dos o tres electrones.

SECUNDARIAS1. Fuerzas de Van der Walls: Las moléculas ejercen atracciones y repulsiones entre sí. Los electrones de una molécula son débilmente atraídos hacia el núcleo de otra pero entonces los electrones de esta son repelidos por los electrones de la primera, a esta atracción y repulsión entre moléculas se le denomina fuerzas de van der waals.

RELACIÓN DE LOS MATERIALES CON LOS ENLACESMetales = Enlace metálicoCerámicos = Enlace iónico y covalentePolímeros = Covalente y Van der Walls

ESTADOS DE LA MATERIA

Gaseoso: Partículas con libertad de movimiento, desorden total, tienden a estar alejadas entre sí, volumen indeterminado. Los átomos se mueven debido a la energía cinética.

Temperatura Energía Cinética = gas a líquido, líquido a sólido. Liquido: Menor desorden, Partículas presentan movimiento entre sí, tienen forma

determinada al recipiente. Sólido: Partículas en orden, fijas en posición determinada, unidas entre sí, forman volúmenes

determinados.

Dentro del estado sólido, los átomos se puede agrupar de dos maneras diferentes, lo cual nos da lugar a dos tipos de estructuras: estructura vítrea y estructura cristalina. La estructura cristalina se caracteriza por el orden que mantienen los átomos, formando las llamadas redes cristalinas tridimensionales. La estructura vítrea, también llamada amorfa, se caracteriza por el desorden de sus átomos.

ESTRUCTURAS CRISTALINASEstructura cristalina: Concepto que describe la forma como se organizan los átomos en el material. La estructura se determina por difracción de rayos X.

Celda unitaria: Mínima porción que contiene el patrón de ordenamiento de átomos que permite estudiar las propiedades de los materiales cristalinos. Los materiales son tridimensionales, por lo tanto las celdas unitarias también lo son. Las celdas unitarias comparten átomos en cada una de sus aristas, por lo que a cada arista corresponde 1/8 de átomo. Las celdas unitarias son dependientes. “Cada átomo en cada arista es compartido por el átomo de las aristas de cada celda unitaria adyacente”.

Alontropía: Propiedad de algunos materiales cristalinos de cambiar de celda unitaria al variar la temperatura.

Tipos de estructuras: 14

CELDAS UNITARIAS MÁS COMUNES:1. Cubica sencilla: posee un átomo por celda unitaria2. Cubica centrada en el cuerpo: posee 2 átomos por celda unitaria, uno de los átomos se

encuentra en el centro de la celda.3. Cubica centrada en las caras: posee 4 átomos por celda unitaria.4. Exagonal:

DEFORMACIONES

Defectos puntuales:Sustitución: Se produce cuando en una posición atómica aparece un átomo de distinta naturaleza a la que correspondería en una estructura ideal, el átomo extraño se llama impureza.Solución solida intersticial: se produce cuando los átomos se localizan en los huecos estructurales de un cristal, al crecer la estructura.

Vacancia: se produce cuando una posición atómica queda sin ocupar. “Huecos”Difusión intersticial: ocurre cuando un átomo se mueve de un intersticio a otro, este mecanismo no requiere de vacancia para llevarse a cabo. “Desplazamiento”

Defectos Lineales:Son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea.Defectos 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.

Deformación: Corrimiento de los planos de una estructura

Deformación elástica: Se produce una deformación cuando aplicamos a un material una carga y desaparece cuando la quitamos, es decir que no pasa su punto de cedencia.

AGREGAR MI CUADERNO DEFORMACIÓN!!!!!!!!!!!!!!

Deformación platica: Se produce cuando aplicamos a un material una carga pero al retirarla este no vuelve a su forma original, sobrepasa su punto de sedencia, cuando retiramos la carga se da un corrimiento de los planos.

Fatiga: Es la acumulación de pequeños esfuerzos que producen un corrimiento de los planos en un momento dado.

Difusión?????????

Pruebas de resistencia: CUADERNOO BELLO!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!La resistencia de un material se puede medir con diferentes pruebas como:

Resistencia al corte Resistencia a la compresión Resistencia a la fatiga Resistencia al impacto Resistencia a la torsión Dureza de penetración

ALEACIONES CON MEMORIA

La mayoría de metales inician su deformación plástica a partir del 0.2% de elongación a la tensión. En cambio, las aleaciones con memoria pueden deformarse hasta un 5% antes de deformarse plásticamente.

Ejemplos: NiTi, CuAl, CuAlNi

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GRANOSSon el resultado de cada núcleo de cristalización.

Cuando un metal está en estado líquido va solidificando, se forman estructuras dendríticas o granos, los cuales crecen uniformemente y se encuentran con otros granos que también han crecido, en los límites de encuentro de estas estructuras se forman los espacios intergranulares. Cuando se forman los granos las impurezas quedan en los espacios intergranulares, para que estas no afecten al material, se quiebra el grano para que estas desaparezcan, para esto se utiliza un procesos de laminación , se calienta el metal para que los granos se ordenen para luego pasarlo por rodillos de laminado donde los granos se alargan y se quiebran, los cristales se deforman y tratan de volver a su forma original haciendo el material más duro, a lo que se le conoce como acritud, para quitar esta acritud se recose el metal y este queda blando.

Solidifican en:1. Equiaxiales: Partículas con formas circulares2. Columnares: Alargados 3. Monocristales: Solo 1 grano. La mayor eficiencia en la cristalización

MODIFICACIÓN DE GRANOS POR LAMINACIÓN FRÍO

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CALIENTE

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Oxidación: Se da por presencia de oxígeno. Se crea una capa de óxido en la mayor parte de materiales no ferrosos y algunos ferrosos. En el hierro no se da este fenómeno porque se produce una evolución de sus diferentes óxidos, produciendo fracturas y permitiendo el paso del oxígeno nuevamente.

Corrosión:

1. Ataque químico directo: Industrial: decapado (pila galvánica) Lluvia ácida: por combustión de hidrocarburo

2. Flujo de electrones

ALEACIONES BINARIAS = REVISAR TODO

ACERO

Cambios alotrópicos: Cambios de estructura cristalina a diferentes temperaturas. La Temperatura de Fusión del hierro puro es 1538°C

No. Hierro Rango de Temperatura (°C)

Celda Unitaria Magnetismo

1 Hierro α 20° - 767° CCB Magnético2 Hierro β 767° - 907° CCB Ligeramente Magnético3 Hierro ϒ 907° - 1401° CCF Amagnético4 Hierro Δ 1401° – 1537° CCB Magnético

Estructuras de los Aceros

Debajo de los 727 °C Arriba de los 727 °C Resultantes de Tratamientos Térmicos

Ferrita (Fe) – Hierro puroGrafito (C)Cementita (Fe3C) – hasta 7% de carbonoPerlita (Fe + Fe3C) – Ferrita + Cementita

AustenitaLedeburitaMartensita (Austenita retenida)

SorbitaStelitaBainitaTroostita

Clasificación del Acero por Contenido de Carbono

1. Bajo contenido de Carbono (Aceros Estructurales): En el diagrama de fases, se conoce como “Hipo-Eutectoride” – Contiene entre un 0.003% - 0.83% de carbono

2. Alto contenido de Carbono (Aceros de Herramientas): En el diagrama de fases, se conoce como “Hiper – Eutectoide” – Contiene entre un 0.83% a un 1.76% de carbono.

3. A partir del 2% de carbono, ya no puede ser moldeado en estado sólido el metal, ya que es demasiado duro, lo cual le da una alta fragilidad.