TEMA 1: INTRODUCCIÓN

Los materiales son sustancias cuyas propiedades los hacen útiles en estructuras, máquinas, dispositivos o productos; tales como: metales, piedra, madera, vidrio, arena, fibras, plásticos, cristales, etc. Materiales de IngenieríaSon sustancias metálicas y no metálicas que se pueden transformar en materiales de trabajo para satisfacer los requerimientos del hombre en la vida modernaLos conocimientos sobre su estructura y sus propiedades le brindan al ingeniero las posibilidades de utilizarlos para su beneficio

Ciencia de los MaterialesDesarrollo de los conocimientos (investigación) básicos o fundamentales sobre la estructura, las propiedades y el procesamiento de los materiales

Ingeniería de MaterialesUso de los conocimientos aplicados, para que los materiales puedan ser convertidos en productos útiles o requeridos por la sociedad.

Estructura de los materiales

La estructura de un material puede ser examinada en cuatro niveles:

- Estructura atómica- Ordenamiento atómico- Microestructura- Macro estructura

Propiedades mecánicas Comportamiento físico

Forma en que los átomos se unen entre sí

Estructura atómica

Metales

Metales: son sustancias inorgánicas que están formadas por uno o mas elementos metálicos y pueden contener también algunos elementos no metálicos: metales puros (Al) y aleaciones (Acero, Fe – C).

Algunas características generales:

- Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de una manera ordenada. Un cristal es un arreglo de átomos con una disposición regular y repetitiva en el espacio.

- Enlace metálico.

- Tienen alta conductividad eléctrica y térmica. Debido a los enlaces entre los átomos y a su disposición, la corriente o el calor fluyen con gran libertad a través del material.

- Pueden deformarse plásticamente. Si se le aplica una fuerza y se le suprime no recupera las condiciones iniciales, la deformación es de carácter permanente.

MetalesCerámicosPolímerosSemiconductoresMateriales compuestos

Clasificación de los materiales

Forma en que los átomos se unen entre sí

Estructura atómica

- Buena resistencia mecánica.

- Relativamente pesados.

- Desde el punto de vista industrial son de gran importancia ya que se utilizan de alguna manera en casi todas las operaciones de producción, ya sea como material a ser procesado o en las máquinas que se usan durante el proceso.

- Sus propiedades dependen en alto grado de su historia previa (tratamientos térmicos, proceso de fabricación → cambia sus características y modifica la estructura interna → cambia la dureza, la resistencia mecánica, etc

Al carbono Aceros al níquel

De herramientasFerrosos (Alto % de Fe)

Fundiciones

Metales

No ferrosos (bajo % de Fe o no presente)

Metales y aleaciones importantes:

- Fe y sus aleaciones- Al y sus aleaciones- Metales para fines nucleares (Uranio, Torio, Plutonio)- Ni, Co y sus aleaciones- Cobre (Cu) y sus aleaciones: Bronce (Cu – Sn) y Latón (Cu – Zn)- Titanio y sus aleaciones- Metales preciosos (Plata, Oro, Platino, Paladio)

Cerámicos

Son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos químicamente. Pueden ser cristalinos o amorfos.

Los materiales cerámicos tradicionales están constituidos por tres componentes básicos: arcilla, sílice y feldespato. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción y las porcelanas eléctricas de uso en la industria eléctrica.

- Los carbonatos de Magnesio y de Calcio, soportan altas temperaturas → Refractarios- Al2O3, MgO, SiO2 → Materia prima para mezclas cerámicas

Características generales:

- Baja conductividad eléctrica → alta resistencia eléctrica → Aislantes

- Alta dureza, fractura frágil

- Altas temperaturas de fusión.Mas resistentes que los metales y los polímeros a elevadas temperaturas y en ambientes severos → buenos aislantes térmicos y eléctricos.

- Enlace iónico, covalente o ambos

- En general tienden a ser duros, refractarios e inertes (mecánica, térmica y químicamente resistentes)

- Enlace iónico, covalente o ambos.

- Algunos tienen características dieléctricas (pueden colocarse entre dos electrodos sin que presente conducción) semiconductores y magnéticos, lo cual es de gran utilidad → diseño de circuitos electrónicos.

- Mayor resistencia a la compresión.

Polímeros

Materiales formados por moléculas orgánicas en grandes cadenas o redes, estructuralmente no cristalinos.

- Baja conductividad eléctrica y térmica.

- Baja resistencia mecánica

- Bajo punto de fusión → baja resistencia al calor

- Alta resistencia química

Termoplásticos TermoestablesEstructura de largas cadenas lineales que no están conectadas → Buena ductilidad y conformabilidad

Redes tridimensionales de enlaces covalentes

Menos fuertes y duros Son mas resistentes, aunque más frágiles → enlaces fuertes entre las cadenas

Se convierten en liquido al calentarse No se rompen fácilmente con el calor, a altas temperaturas, hay degradación pero no se funden

Se deforma elásticamente No hay movimiento entre las moléculas una vez que la masa ha fraguado

Se reciclan Es difícil reprocesarlos (reciclarlos)

Ejemplo de termoplásticos: poliestireno, polietileno, poliéster

Láminas transparentes, botellas, espumas, recipientes, pisos, telas, cuerdas, engranajes, fibras.

Termoestables: partes de equipo eléctrico, laminados, revestimientos, fibra de vidrio (compuesto), tubos

Polímeros naturales: cuero, madera.

Materiales Compuestos

Son elementos de diseño de materiales para el control de las propiedades.

Están formados por dos o más materiales para combinar sus propiedades y se obtienen materiales ligeros, fuertes y dúctiles a la vez así como resistentes a las altas temperaturas.

Los componentes no se disuelven uno en otro y pueden ser físicamente identificables por una interfase (intercara entre la matriz y el refuerzo).

Ejemplos:

- Concreto armado: compuesto particulado de arena gruesa en matriz de cemento

- Fibra de vidrio: largas fibras rígidas de vidrio en una matriz polimérica más blanda (resistencia con tenacidad y ductilidad)

- Carburo de tungsteno (también de silicio). Herramientas de corte, duras y a la vez resistentes al impacto.

- Grafito en matriz epóxica: alta resistencia y bajo peso (componentes para aeronaves)

Pueden ser: con partículas, con fibras o laminados.

Partículas fibras laminados

Relación Estructura – Propiedad – Procesamiento

Cumplir requerimientos, desempeño adecuado durante la vida útil de un componente

Propiedades

Propiedades Mecánicas: se refieren a la forma en que el material responde al aplicársele una fuerza. Influyen en la facilidad con la que puede ser conformado un material hasta llegar a la forma deseada. Resistencia mecánica, rigidez, ductilidad

Propiedades Físicas: comportamiento eléctrico, magnético, óptico y térmico.

Propiedades Químicas: fuerzas de enlace, tendencia a la corrosión (electronegatividad)

Estructura

1. La distribución de los electrones alrededor del núcleo influye en la forma en que los átomos se unen entre sí (tipo de enlace) afectando el comportamiento eléctrico, magnético, térmico y óptico.

2. Arreglo de átomos (estructura cristalina o amorfa)

Procesamiento

A través del procesamiento se obtiene la forma deseada

Procesamiento de metales:- Colada: vertiendo el metal líquido en un molde- Soldadura- Conformando el metal sólido a altas presiones: forja, trefilado (para producir

alambres), extrusión, laminado (para producir hojas, placas o láminas), embutido.

- Metalurgia de polvos: compactando pequeñas partículas metálicas- Maquinado: eliminando material excedente

Procesamiento de cerámicos:- Colado- Formado- Extrusión o compactación- Tratamiento a altas temperaturas

Polímeros:- Moldeo por inyección- Extrusión y conformado

Definiciones

- Electronegatividad: capacidad de un átomo de atraer hacia sí los e’ de enlace. Tendencia a ganar un e’. Los electropositivos ceden e’ con facilidad (no están tan fuertemente atraídos hacia el núcleo)

- Resistencia mecánica: resistencia a la acción de una fuerza externa ( se nombra según la fuerza aplicada)

- Ductilidad: capacidad de un material de deformarse permanentemente sin que ocurra ruptura cuando se le aplica una fuerza (antes de fracturar)

- Dureza: Resistencia de un material a deformarse permanentemente (campo no elástico)

- Rigidez: medida de la deformación elástica producida en un material (campo elástico). Un material rígido, con un módulo de elasticidad alto, se deforma muy poco al ser sometido a una carga elástica. Pendiente pronunciada.

- Tenacidad: capacidad de un material para resistir cargas de impacto

- Refractarios: grupo de materiales cerámicos capaces de resistir altas temperaturas durante períodos prolongados sin cambiar, reaccionar o descomponerse

Enlaces atómicos

Metales: enlace metálicoCerámicos: enlace iónico o covalentePolímeros: covalente y secundarioSemiconductores: covalente o covalente iónico

Enlace metálico

En los metales en estado sólido, los átomos ceden sus e’ de valencia para formar un “mar” de electrones. Los átomos externos son atraídos por los núcleos de sus numerosos vecinos, no están asociados a ningún núcleo en particular. Los átomos están muy juntos. Los e’ se extienden entre todos los átomos en forma de una nube de carga electrónica de e’ libres.

Las altas conductividades eléctrica y térmica de los metales se debe a que los e’ libres se mueven conduciendo energía

Puesto que los e’ no están confinados a lugares específicos es posible separar los centros iónicos positivos unos de otros, deslizándose unos sobre otros sin distorsionar completamente la estructura, hasta cierto punto, antes que los enlaces se rompan. Esta es la razón de su buena ductilidad.

Enlace covalente

En este tipo de enlace dos o más átomos comparten electrones equitativamente sin que pertenezcan de manera exclusiva a ninguno de ellos.

Los electrones quedan restringidos a la región que está entre los núcleos de los dos átomos y se dice que son electrones localizados

El ejemplo más simple es el del H2:

El silicio tiene valencia 4 y comparte sus electrones con otros cuatro átomos de silicio:

Los materiales que poseen este tipo de enlace son muy resistentes ya que es un enlace muy fuerte. Sin embargo son frágiles porque no es posible separar mucho los núcleos sin que el enlace se rompa.

Los electrones localizados → materiales con conductividad eléctrica baja o nula. Para que se mueva un electrón y pueda transportar corriente debe romperse el enlace covalente. Se requiere altas temperaturas, buenos aislantes.

Enlace iónico (enlace primario)

El enlace iónico se forma entre un átomo electropositivo (que cede sus e’) y un átomo electronegativo (que acepta los electrones).

Es un enlace entre un átomo de un metal y un átomo de un no metal, donde el metal cede uno o varios electrones y el no metal se los apropia. Se producen iones positivos del metal e iones negativos del no metal, iones de carga opuesta que se atraen produciendo el enlace iónico. Cada uno cambia y la atracción ocurre por este cambio.

La conductividad de los materiales iónicos no es buena. Para que exista conductividad se deben mover iones completos. Por su tamaño no se mueven tan fácilmente como los electrones → malos conductores eléctricos y térmicos.

Ej.: NaCl.

Enlaces de Van der Waals (atracción electrostática)

Es una fuerza débil de atracción que une moléculas polarizadas, algunas porciones de la molécula están cargadas positivamente, en tanto que otras lo están negativamente.

La atracción electrostática entre regiones de carga positiva de una molécula y regiones de carga negativa de otra molécula une de manera débil ambas moléculas.

Cuando una de las regiones polarizadas está formada por átomos de hidrógeno → puente de hidrógeno.

En los polímeros (algunos) las largas cadenas de enlaces covalentes están unidas unas con otras por enlaces de Van der Waals, por lo que son fáciles de deformar.

El agua: