estructura y propiedades de los materiales by jose francisco martinez aguilar

INTRODUCCION A LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES JOSE FRANCISCO MARTINEZ AGUILAR

JORGE MIGUEL CERINO MARTINEZ

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

introducción a las propiedades de los materiales

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

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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.

Polímeros termoplásticos En los que la cadena moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena conductividad y conformabilidad.

Polímeros termoestables 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. introducción a las propiedades de los materiales

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.

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TIPOS DE ENLACES 1. Enlace covalente. 2. Enlace iónico. 3. Enlace metálico.

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

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ENLACE COVALENTE POLAR 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.

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ENLACE COVALENTE NO POLAR : 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).

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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.

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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.

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Diferenciar las características de un material cristalino y uno amorfo.

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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. INTRODUCCIÓN A LAS PROPIEDADES DE LOS 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. INTRODUCCIÓN A LAS PROPIEDADES DE LOS 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).

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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.

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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

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ALEACIONES Se 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.

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ALEACIONES MAS COMUNES Las 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

PROPIEDADES Las 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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

Tratamiento térmico

•RESISTENCIA AL DESGASTE: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material. •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. Tratamiento térmico

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.

Tratamiento térmico

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.

Tratamiento térmico

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. Tratamiento térmico

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.

Tratamiento térmico

REVENIDO SĂłlo 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 bĂĄsicamente del temple en cuanto a temperatura mĂĄxima y velocidad de enfriamiento.

Tratamiento tĂŠrmico

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. Tratamiento térmico

NORMALIZADO

Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribuci贸n uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

Tratamiento t茅rmico

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.