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• Miriam Macias Rosales

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Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Como los productos se fabrican a base de materiales, estos se encuentran en cualquier parte alrededor nuestro.

ESTRUCTURA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES

ESTRUCTURA: La estructura supone partes, materiales o inmateriales, de igual o distinta naturaleza ordenadas en la conformación de un todo, diferenciado de las partes, pero que no puede existir sin ellas.

La estructura es la forma en que están ordenados los átomos en un material y tiene diferentes escalas:

Nuclear Núcleo: Neutrones y Protones

Atómica Estructura de los electrones

Cristalina Arreglo tridimensional de átomos y moléculas

CIENCIA DE LOS MATERIALES: Es un campo multidisciplinario que estudia conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad.

TIPOS DE ENLACES DE LA FORMACION CRISTALINA

ESTRUCTURA CRISTALINA 

La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación.

TIPOS DE ENLACES

IÓNICO 

El enlace iónico es la unión que resulta de la presencia de fuerzas de atracción electrostática entre los iones de distinto signo. Se da cuando uno de los átomos capta electrones del otro.

COVALENTE El enlace covalente es la unión producido entre dos o mas átomos no metales. Las fuerzas de interacción son relativamente altas. Este enlace se crea por la compartición de electrones. Las moléculas orgánicas (a base de carbono) emplean este enlace.

METÁLICO •

El enlace metálico se produce cuando se unen átomos de un mismo metal, produciéndose estructuras muy compactas formando redes tridimensionales. Las sustancias metálicas tienen propiedades muy características, como el brillo y la conductividad eléctrica, de aquí se deduce que los electrones implicados en este tipo de enlace deben tener gran libertad de movimiento.

ESTRUCTURA DE LOS CRISTALES SEGÚN SU TIPO DE ENLACE

CRISTAL IONICO -Alto punto de fusión, ebullición y evaporación -Cristales duros pero frágiles -Solubles en líquidos polares -Presentan cierta elasticidad

CRISTALES COVALENTES

CRISTALES METÁLICOS

-Poseen alto punto de fusión, ebullición

-Son generalmente cúbicos o hexagonales

-Malos conductores de electricidad

-Densos y conducen corriente eléctrica

-Suelen ser transparentes y quebradizos

-Opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos

-No sufren deformación plástica

-Maleables y dúctiles

FORMACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS La estructura de cada material depende de la organización, ordenada o desordenada, de las partículas que lo conforman, sean éstas átomos, iones o moléculas.

El acomodo regular, ordenado y repetido en tres dimensiones conduce a la formación de estructuras conocidas como cristales, en los que es posible distinguir un patrón geométrico básico (celda unitaria), que se repite de manera tridimensional.

CELDAS UNITARIAS

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Es el agrupamiento mas pequeño de átomos que conserva la geometría de la estructura cristalina, y que al apilarse en unidades repetitivas forman un cristal con dicha estructura

CELDAS UNITARIAS

SISTEMAS CRISTALINOS Existen 7 sistemas cristalinos y cada uno de ellos tiene sus propios elementos de simetría. Se describen los sistemas cristalinos por:

- Sus ejes cristalográficos. - Los ángulos que respectivamente dos de los ejes cristalográficos rodean. - Las longitudes de los ejes cristalográficos

REDES DE BRAVAIS Las redes de Bravías son las 14 modificaciones que se pueden identificar en los poliedros fundamentales de los sistemas cristalinos; resultan de las distintas posibilidades de distribución o acomodo de las partículas (átomos, iones o moléculas) dentro del poliedro fundamental. • primitiva (P), • centrada en el cuerpo (I), • centrada en las caras (F) • centrada en las bases (B).

Celda Unitaria Cubica Primitiva (cP) Es el arreglo de puntos (átomos, iones o moléculas) que ocupan los sitios de la red, equivalentes únicamente a los ocho vértices del cubo. Cada vértice es compartido al mismo tiempo por ocho cubos más, que son los que lo rodean y están en contacto directo con él; esto indica que cada vértice, dentro del cuerpo geométrico, contiene solamente un octavo de partícula

Celda Unitaria Cubica Centrada en el Cuerpo (cl) Esta celda contiene, además de los puntos situados en cada uno de sus ocho vértices, otro más en el centro del cuerpo. Los ocho vértices se comparten con otros ocho cubos que lo rodean, pero la partícula del centro no se comparte con ningún otro cubo, así que está completamente dentro del mismo

Celda Unitaria Cubica Centrada en las Caras(cF) Esta celda contiene la mitad de un punto en el centro de cada una de sus seis caras, ya que cada cara está en contacto con otro cubo adyacente y la partícula se comparte por igual entre los dos. El centro del cuerpo no está ocupado, pero los ocho vértices sí contienen las fracciones de un octavo de punto.

AMORFOS Materiales en los que sus átomos siempre están en desorden o desalineados aun en su estado solido. No presentan una disposición interna ordenada por lo tanto no tienen ningún patrón determinado. Amorfo quiere decir “SIN FORMA”

PROPIEDADES CON BASE A LOS ENLACES ATOMICOS

DENSIDAD La densidad es una de las propiedades más importantes de los materiales porque determina el peso de la estructura o componente. Básicamente, la densidad de un sólido depende de tres factores: La masa atómica media de sus átomos o iones

Tamaño atómico o iónico

Estructura cristalina

La diversidad de densidades de los materiales surge principalmente de la masa atómica y de la fracción volumétrica de empaquetamiento.

PUNTO DE FUSIÓN La energía de enlace de los átomos es directamente proporcional al punto de fusión del material. Esta propiedad se convierte en un factor cuando se contempla el uso de materiales en ambientes de alta temperatura, como los que se dan en los motores de combustión. Una temperatura alta para un material puede ser relativamente baja para otro material en virtud de diferencias en los puntos de fusión. En general, todas las propiedades varían con la temperatura. Si un material esta sometido a esfuerzos,

TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VITREA Un polímero semicristalino posee regiones amorfas además de las cristalinas. Estas zonas presentan una transición llamada vítrea y la temperatura a la cual se produce se la denomina temperatura de transición vítrea (Tg). Tg : “Temperatura por encima de la cual un material rígido y amorfo (tipo vidrio) se convierte en sólido flexible

COEFICIENTE DE EXPANSION TERMICA LINEAL Aumento fraccional en longitud, de un cuerpo por cada grado centígrado de aumento de temperatura.

DEFORMACIÓN De acuerdo con el estado de esfuerzo, el material se deforma (cambia de forma) en consecuencia. Un esfuerzo de tensión induce al material a alargarse en dirección paralela, y a contraerse lateralmente a lo largo de una dirección perpendicular a la misma fuerza. También en este caso, la elongación y la contracción se normalizan dividiéndolas entre las dimensiones originales paralela (longitud) y perpendicular (anchura) a la fuerza de tensión.

DUCTILIDAD La ductilidad es la propiedad de un material que permite impartirle diferentes formas sin que se rompa. Un material que puede hacer esto, se dice que es dúctil, en tanto que un material que no cambia de forma o lo hace con dificultad o se rompe es frágil o quebradizo.

CARACTERISTICAS Y DEFECTOS DE LOS MATERIALES.

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES MATERIALES METALICOS Sustancias inorgánicas compuestas por uno o mas elementos metálicos y pueden contener algunos elementos no metálicos como C,N,O.

Características: • • • •

Tienen una estructura cristalina ordenada Buenos conductores térmicos y eléctricos Resistentes y dúctiles a la temperatura ambiente Alta resistencia a altas temperaturas

MATERIALES POLIMERICOS Constan de largas cadenas o redes moleculares que se basan en compuestos orgánicos (precursores que contienen carbono) Existen varios tipos de polímeros con propiedades y estructuras químicas diferentes.

En estos se incluyen : • El caucho ( el hule) • Los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas del petróleo o productos agrícolas.

TIPOS DE POLIMEROS: • Polímeros naturales: Provenientes directamente del reino vegetal o animal • Polímeros artificiales: Son el resultado de modificaciones mediante procesos químicos, de ciertos polímeros naturales. • Polímeros sintéticos: Son los que se obtienen por procesos de polimerización controlados por el hombre a partir de materias primas de bajo peso molecular.

MATERIALES CERAMICOS Son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos enlazados químicamente entre si. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos o mezcla de ambos. Tienen gran dureza y resistencia a las altas temperaturas y tienen a ser frágiles.

MATERIALES COMPUESTOS Dos o mas materiales integrados para formar un material nuevo. Sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de ellos. Están formados por un material especifico de relleno que a su vez sirve de refuerzo y una resina aglomerante con objeto de lograr las características y propiedades deseadas. Los compuestos pueden ser de tipo: • Fibrosos (compuestos o fibras en una matriz) • Particulados (compuestos o partículas en una matriz

Los compuestos pueden ser: • Metal-Metal. bimetales, acero cromado y niquelado. • METAL-CERAMICO. herramientas de corte de carburo cementado. Cermet(cerámica y metal). Plástico reforzado de fibra de carbono. • Metal-polímero. Neumáticos(alambre y caucho) • cerámico-polímero. Un compositor de fibra y carbono llamado Sílex (bicicletas) • cerámico-cerámico. Hormigón(cemento, arena y grava) • polímero-polímero. Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

PROPIEDADES FÍSICAS,QUÍMICAS Y MECANICAS

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Se trata del conjunto de características diferentes de cada material o grupo de materiales que ponen de manifiesto cualidades de éstos. 1. Propiedades físicas: Son propiedades que no afectan a las estructuras y composición de un material.

2. Propiedades mecánicas: Indican la resistencia que ofrecen los materiales al ser sometidos a determinados esfuerzos exteriores.

3. Propiedades químicas: Son propiedades que afectan a la estructura y composición de un material.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES FÍSICAS • Peso específico • Calor específico • Conductividad calorífica • Temperatura de fusión • Punto de solidificación • Conductividad eléctrica

QUÍMICAS • Oxidación • Corrosión

MECÁNICAS • • • • • • •

Elasticidad Plasticidad Dureza Tenacidad Fragilidad Fatiga Resiliencia

PROPIEDADES FÍSICAS 

Peso específico Cociente entre el peso (P=m·g) de un cuerpo y su volumen.

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Calor específico Cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius).

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Conductividad calorífica Representa la capacidad que tiene un cuerpo para conducir el calor. Temperatura de fusión Temperatura a la cual un sólido pasa a estado líquido, el cambio de estado se produce a temperatura constante.

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Punto de solidificación/congelación Es el momento en el que un líquido pasa a estado sólido por reducción de la temperatura.

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Conductividad eléctrica Representa la mayor o menor facilidad que tienen los cuerpos para transportar la energía eléctrica.

PROPIEDADES QUÍMICAS 

Oxidación Es una reacción química a partir de la cual un átomo, ión o molécula cede electrones (aumentando su estado de oxidación), generalmente se produce en presencia de oxígeno (del aire, p. ej.) y se trata de un fenómeno especialmente característico de los metales.

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Corrosión Es un tipo de oxidación que se produce generalmente en un medio acuoso, afecta a todo tipo de materiales

PROPIEDADES MECÁNICAS 

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Elasticidad Capacidad de un material para recuperar su forma una vez desaparecida la fuerza que lo deformaba. Plasticidad Capacidad que tienen los materiales para adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura.

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Dureza Resistencia que opone un material a dejarse rayar o penetrar por otros. Tenacidad Capacidad de un material de soportar, sin deformarse ni romperse, la acción de fuerzas exteriores.

Resiliencia Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos.  Fragilidad Propiedad contraria a la tenacidad. Un material es frágil cuando rompe fácilmente por la acción de un choque. 

Fatiga Deformación o rotura que se sufre un material por estar sometido a esfuerzos variables y repetitivos durante un cierto tiempo.  Ductilidad es la propiedad que permite que el material se estire antes de romperse. 

ACTIVIDAD

Ahora vas a contestar unas preguntas. Están relacionadas con las propiedades de los materiales y su uso habitual. ¿Preparado/a?

La tenacidad es:  La dureza de un material  La falta de forma de un material  La resistencia a los golpes sin romperse  La terquedad de un material

Ejercicios de comprensión I

Inténtalo de nuevo. Recuerda lo que has leído sobre las propiedades de los materiales.

Bien, se ve que has atendido y comprendido las explicaciones

El vidrio es un material  Muy blando  Muy duro  Muy tenaz  Muy elástico

Ejercicios de comprensión II

Inténtalo de nuevo.

Bien, se ve que has atendido y comprendido las explicaciones

Un azulejo es un material  Muy blando  Muy duro  Muy tenaz  Muy elástico

Ejercicios de comprensión III

Inténtalo de nuevo. Piensa en el comportamiento de los azulejos y cerámicas.

Bien, se ve que has atendido y comprendido las explicaciones

La propiedad más destacada de la madera de pino es  Su blandura  Su dureza  Su elasticidad  Su soldabilidad

Ejercicios de comprensión IV

Inténtalo de nuevo. Recuerda cómo es la madera de pino.

Bien, se ve que has atendido y comprendido las explicaciones

La propiedad más destacada del aluminio es  Su dureza  Su fragilidad  Su plasticidad  Su resistencia a la corrosión

Ejercicios de comprensión V

Inténtalo de nuevo. Piensa en las aplicaciones del aluminio.

Bien, se ve que has atendido y comprendido las explicaciones

Un material que se rompe con facilidad es un material  Blando  Tenaz  Frágil  Soldable

Ejercicios de comprensión VI

Inténtalo de nuevo. Recuerda lo que has estudiado.

Bien, se ve que has atendido y comprendido las explicaciones

PROCESOS DE CONFORMADO

La Finalidad del conformado de metales independientemente sea este en frió o caliente es generar formas útiles como tubos, barras y hojas moldeando los metales, pero conservando su masa y volumen, la importancia de este proceso radica en los múltiples artículos y formas de metal que existen.

En este proceso el material es sometido a una deformación plástica, La deformación plástica es el cambio de forma permanente debido a una fuerza mecánica aplicada mayor al límite elástico. Lo que quiere decir que al eliminar esa fuerza, no vuelve a su forma y dimensiones originales.

CONFORMADO EN FRIO

CONFORMADO EN CALIENTE

Trabajo del metal en caliente Las tecnologías de fabricación para el proceso de conformado en caliente son:     

Laminación Forja Extracción Doblado Embutido

CAMBIOS EN LA ESTRUCTURA INTERNA

Para fabricar una pieza sólida de algún metal, primero debe calentarse hasta fundirlo, enseguida, ese metal licuado se transfiere al molde que le dará la forma deseada, se deja enfriar hasta que solidifica y se separa del molde. El proceso de conversión del metal líquido en su correspondiente sólido cristalino se da en varias etapas.

NUCLEACIÓN En la primera etapa del enfriamiento se inicia la formación de múltiples núcleos o pequeños cristales de metal sólido denominados cristales fríos, porque aparecen en las zonas más frías del molde y en las más externas del metal líquido. La solidificación prosigue desde las partes externas hacia el centro del molde por la aparición de nuevos núcleos que se forman a medida que disminuye la temperatura en el seno del metal líquido.

Nucleación. Aparición de puntos de solidificación en las zonas frías

FORMACIÓN DE DENTRITAS La solidificación continúa mediante la interconexión de varios núcleos pequeños que van formando cristales en forma de espigas, como troncos con pequeñas ramas laterales, a estas ramificaciones se les denomina dendritas.

Dendritas. Formación de pequeñas arborescencias

FORMACIÓN DE GRANOS Las espigas o dendritas continúan su crecimiento hasta que se encuentran con otras que no necesariamente crecen en la misma orientación. En esta etapa, las espigas se entrelazan formando una malla ordenada que crece a medida que el metal líquido se enfría hasta solidificarse completamente. Este proceso induce la formación de múltiples zonas, bien delimitadas, que aunque están formadas por celdas cristalinas iguales, poseen orientaciones distintas. A cada una de estas secciones se le denomina grano cristalino; su forma y tamaño dependen de la velocidad de enfriamiento y del tipo de entrecruzamiento que se da entre las dendritas.

LIMITES DE GRANO Los granos cristalinos están separados por zonas de transición, o límites de grano, que involucra unos pocos átomos no alineados con ninguno de los granos adyacentes. Debido a la falta de ordenamiento que caracteriza a los átomos que se encuentran a lo largo de esta frontera, éstos son más reactivos que los átomos que se encuentran en posiciones fijas en las celdas unitarias que forman los granos.

SÓLIDO POLICRISTALINO A cada uno de los granos se le considera como un cristal, por ello, al conjunto metálico, por estar formado por muchos granos, se le denomina material poligranular o policristalino.

TEMPLE Proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento rápido con una velocidad mínima llamada critica. Es una condición que produce en un metal o aleación por efecto del tratamiento térmico o mecánico estructuras y propiedades mecánicas características.

REVENIDO Es un tratamiento complementario al temple. Al conjunto de los dos se le denomina “bonificado” Consiste en calentar el material metálico (acero) después del temple o normalizado a una temperatura inferior al punto critico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido para resultados con alta tenacidad o lento para reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.

RECOCIDO Con este nombre se le conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es “ablandar” el material metálico (acero) para facilitar su mecanizado posterior. También es utilizado para regenerar el grano o eliminar tensiones internas.

NORMALIZADO Tratamiento térmico en el cual las aleaciones porosas se calientan hasta aprox 100ºF sobre el rango critico, sosteniendo esa temperatura por el tiempo requerido, enfriándolos a la temperatura del medio ambiente. Es mas lenta que el temple pero mas rápido que el recocido.

DEFECTOS ESTRUCTURALES

Los defectos se producen por diversos factores que influyen en la cristalización: • Como la velocidad de enfriamiento, • La ausencia de átomos en posiciones de la red cristalina que deberían estar ocupadas • La inserción de átomos impureza (solutos) con diferente estructura cristalina gran diferencia con el tamaño del átomo metálico mayoritario (disolvente)

DEFECTOS PUNTUALES Una imperfección puntual es una interrupción muy localizada en la regularidad de una red cristalina; aparece por las siguientes causas:

• La ausencia de un átomo de la matriz (vacancia). • Por la presencia de un átomo diferente (impureza). • Porque un átomo de la matriz esté ubicado en una posición incorrecta, es decir, en un sitio normalmente no ocupado en un cristal perfecto.

DEFECTOS LINEALES Un defecto lineal aparece cuando se desequilibra la orientación de zonas adyacentes del cristal en crecimiento, lo que provoca la pérdida de regularidad en la estructura cristalina. Los defectos lineales se han clasificado como dislocaciones de borde y de tornillo.

LA DISLOCACIÓN DE BORDE Se identifica cuando se presenta un plano extra de átomos que distorsiona la estructura cristalina, aparece como si se hubiera insertado un plano extra que abre y separa en dos secciones a dos conjuntos de planos del cristal. Esta distorsión genera compresión y tensión a lo largo de la dislocación, además de un aumento de energía.

Las dislocaciones de tornillo

Se identifican cuando se presenta un corte en la estructura cristalina, acompañado de un deslizamiento sesgado o torcido, a una distancia correspondiente al espacio de un átomo

DEFECTOS SUPERFICIALES