ciencia de los materiales

Introducción a la Ciencia delos MaterialesAutor: Diana Ofelia Flores Cruz

Descubre miles de cursos como éste en www.mailxmail.com 1

mailxmail - Cursos para compartir lo que sabes

http://www.mailxmail.com



Presentación del curso

Miremos donde miremos los materiales forman parte de nuestro mundo.

Este curso se ocupa principalmente de las propiedades, clasificación,procesamiento y usos de las diversas manisfestaciones de la materia en elUniverso.






1. Propiedades de los materiales. (Mecánicas)

Este curso esta pensado para personas que tengan conocimientos básicos deQuímica y Física, ya que manejo varios conceptos básicos de estas ciencias sinuna definición previa de mi parte.

Ahora sí, comencemos.

La Ciencia de los Materiales se ocupa principalmente de las propiedades,clasificación, procesamiento y usos de las diversas manisfestaciones de lamateria en el Universo. En este curso, omitiremos lo referente al procesamientoy nos concentraremos en los otros tres aspectos.

El comportamiento de los materiales queda definido por su estructura. a nivelmicroscópico, la estructura eléctronica de un átomo determina la naturaleza delos enlaces atómicos que a su vez contribuye a fijar las propiedades de unmaterial dado.

En forma general, las propiedades se separan para su estudio en dos grandesramas: propiedades físicas y propiedades mecánicas.

Propiedades mecánicas: Describen la forma en que un material soportafuerzas aplicadas, incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas ode fatiga, o fuerzas a altas temperaturas. A continuación, se definen las quemencionaremos más adelante:

- Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sindeformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

- Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar suforma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinadosu deformación.

- Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.

- Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque.

- Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformacionespermanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que seproduzca rotura.

- Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad queposeen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.

- Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad detransformar algunos metales en láminas delgadas.

Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayosmecánicos:- Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidadde un material.- Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.- Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un






material.- Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad queposee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.

Propiedades físicas: Dependen de la estructura y procesamiento delmaterial. Describen características como color, conductividad eléctrica o térmica,magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerzaque actúan sobre el material. Pueden dividirse en : eléctricas, magnéticas yópticas.

En capítulos posteriores estudiaremos por separado estos grupos y lasdefiniciones de las distintas propiedades que los confoman.






2. Propiedades de los materiales. (Eléctricas)

Ahora, le daremos un vistazo a lo que implica el primer grupo que mencionamosdentro de las propiedades físicas. Recuerda, este curso es tan sólo unaintroducción.

Propiedades eléctricas: Describen el comportamiento eléctrico del metal, elcual en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico.Existe también el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales queimpiden el flujo de corriente eléctrica, que va más allá de simplementeproporcionar aislamiento.

Los electrones son los portadores de carga en los materiales conductores,semiconductores y muchos de los aislantes; en los compuestos iónicos son losiones quienes transportan la mayor parte de la carga. La movilidad de losportadores depende de los enlaces atómicos, de las imperfecciones de la red, dela microestructura y, en los compuestos iónicos, de las velocidades de difusión.

La aplicación de un campo magnético genera la formación y el movimiento dedipolos contenidos en el material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomosque tienen carga desequilibrada. Dentro de un campo eléctrico aplicado losdipolos se alinean causando polarización. Existen cuatro mecanismos depolarización:

- Polarización electrónica. Consiste en la concentración de los electrones en ellado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto implica unadistorsión del arreglo electrónico, en la que el átomo actúa como un dipolotemporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño ytemporal.

- Polarización iónica. Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamentecuando se colocan en un campo eléctrico. En consecuencia la carga seredistribuye minúsculamente dentro del material. Los cationes y aniones seacercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo. Estos dipolostemporalmente inducidos causan polarización y también pueden modificar lasdimensiones generales del material.

- Polarización molecular. Algunos materiales contienen dipolos naturales, que, alaplicárseles un campo giran, hasta alinearse con él. En algunos materiales, comoel titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberseeliminado la influencia del campo externo.

Anteriormente, al hablar de polarización iónica, mencionamos la posibilidad deque hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conocecomo electrostricción, además de darse por cambios en la longitud de losenlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos comopartículas en forma oval en vez de esférica o por distorsión debida a laorientación de los dipolos permanentes del material

Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional: cuandose les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltajeo un campo. Los materiales que presentan este comportamiento son






piezoeléctricos.

Cuando se encuentran entre capas de material conductor, los materialesdieléctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedadse describe mediante:

- Constante dieléctrica, que es la relación de la permisividad del material con lapermisividad en el vacío.

- Resistencia dieléctrica. Es el campo dieléctrico máximo que puede mantener unmaterial entre conductores.

La presencia de polarización en un material después de que se retira el campoeléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolospermanentes. Esto sucede de la siguiente forma: se toma un cristal cuyosdipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no haypolarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse condicho campo; finalmente, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene lapolarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo,queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y elmaterial ha quedado permanentemente polarizado. Los materiales que retienenuna polarización neta, una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.

Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que losportadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro através de él, en consecuencia, los materiales dieléctricos tienen siempre unaalta resistividad eléctrica.

Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividadeléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo, una constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a serindeseable. Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo queno se almacena carga localmente en el aislante.

Esto es lo esencial respecto a las propiedades eléctrica de los materiales. Ennuestra próxima entrega, estudiaremos las propiedades magnéticas.






3. Propiedades de los Materiales. (Magnéticas)

En el capítulo anterior revisamos algunos aspectos de las propiedades elétricas.Ahora, veremos lo relativo a las propiedades magnéticas.

Propiedades magnéticas: El comportamiento magnético esta determinado porlas interacciones entre dipolos magnéticos, estos dipolos a su vez están dadospor la estructura electrónica del material. Por lo tanto, al modificar lamicroestructura, la composición o el procesamiento se pueden alterar laspropiedades magnéticas.

Los conceptos que definen los efectos de un campo magnético en un materialson:

Concepto Definición Momento magnético. Intensidad de campo magnético asociado con el electrón.Permeabilidadmagnética.

El material amplifica o debilita el efecto del campomagnético.

Magnetización. Representa el incremento en la inducción magnéticadebida al material del núcleo.

Susceptibilidadmagnética.

Es la relación entre la magnetización y el campo aplicado,proporciona la amplificación dada por el material.

Así, cuando se acerca un campo magnético a un conjunto de átomos es posibleobservar diversas reacciones:

- Diamagnetismo: El campo magnético influye en los momentos magnéticosdelos electrones dentro del átomo y produce un dipolo para todo los átomos. Estosdipolos se oponen al campo magnético, haciendo que la magnetización seamenor a cero.

- Paramagnetismo: Debido a la existencia de electrones no apareados, acadaátomo se le asocia un momento magnético neto, causado por el giro de loselectrones. Cuando se aplica un campo magnético, los dipolos se alinean con él,resultando una magnetización positiva. Pero, dado que los dipolos nointeractúan, para alinearlos se requieren campos magnéticos extremadamentegrandes. Además, en cuanto se elimina el campo, el efecto se pierde.

- Ferromagnetismo: Es causado por los niveles de energía parcialmente ocupadosdel nivel 3d del hierro, el níquel y el cobalto. Consiste en la fácil alineación de losdipolos permanente no apareados con el campo magnético aplicado, debido a lainteracción de intercambio o al refuerzo mutuo de los dipolos. Esto significa queaún con campos magnéticos pequeños se obtienen magnetizaciones importantes,con permeabilidad relativa de hasta 106.

- Antiferromagnetismo: Los momentos magnéticos producidos en dipolos vecinosse alinean en el campo magnético oponiéndose unos a otros, aún cuando laintensidad de cada dipolo sea muy alta. Esto produce una magnetización nula.

- Ferrimagnetismo: Se da principalmente en materiales cerámicos, donde






- Ferrimagnetismo: Se da principalmente en materiales cerámicos, dondediferentes iones crean momentos magnéticos distintos, causando que, en uncampo magnético los dipolos de ion A pueden alinearse con el campo, en tantoque los dipolos del ion B pueden oponérsele. Como las intensidades de losdipolos son distintas, el resultado será una magnetización neta. Así, losmateriales con este tipo de comportamiento pueden dar una buenaintensificación del campo aplicado.

Este es un capítulo corto, en compensación por todo lo que tuviste que estudiaren el anterior. Espero que haya sido de utilidad para ti. ¡Suerte y hasta lapróxima!






4. Propiedades de los Materiales.(Ópticas I)

Esta es la primera de dos entregas acerca de las propiedades ópticas.

Propiedades ópticas: Se relacionan con la interrelación entre un material y lasradiaciones electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energía,conocidas como fotones. Estas radiaciones pueden tener características queentren en nuestro espectro de luz visible, o ser invisibles para el ojo humano.Esta interacción produce una diversidad de efectos, como absorción, transmisión,reflexión, refracción y un comportamiento electrónico.

Fenómenos Ópticos. Al interactuar con la estructura electrónica o cristalina deun material, los fotones de una fuente externa crean varios fenómenos ópticos.Si los fotones incidentes interactúan con los electrones de valencia puedenocurrir varias cosas: los fotones ceden energía al material, en cuyo caso hayabsorción; o puede ser que cuando los fotones aportan energía, de inmediato elmaterial emite electrones de idéntica energía, de forma que se produce reflexión.También puede que los fotones no interactúen con la estructura electrónica delmaterial, en ese caso ocurre la transmisión. En cualquiera de estos tres casos, lavelocidad de los fotones cambia; este cambio propicia la refracción.

Un rayo incidente de intensidad I0 parcialmente puede reflejarse, absorberse ytransmitirse. Esta intensidad I0 se puede expresar como:

I0 = Ir + Ia + It

donde Ir es la porción reflejada, Ia es la parte absorbida e It es la porcióntransmitida a través del material. Determinar el comportamiento de los fotonesrespecto al material es necesario conocer varios factores internos de este,particularmente la energía requerida para excitar un electrón hacia un estado deenergía más elevado.

Ahora examinaremos cada uno de estos cuatro fenómenos:

- Refracción. Cuando un fotón es transmitido provoca la polarización deelectrones en el material y, al interactuar con el material polarizado, pierde partede su energía. La velocidad de la luz se puede relacionar con la facilidad con lacual un material se polariza tanto eléctricamente (permisividad) comomagnéticamente (permeabilidad).

Sin embargo, los materiales ópticos no son magnéticos, por tanto lapermeabilidad puede no tomarse en cuenta.

Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra al materialcambia de dirección. Suponiendo que un haz de fotones viaja en el vacío e incidesobre un material, a y b son los ángulos que los haces incidentes y refractadostienen con el plano de la superficie del material, entonces:

n = c = l vacío= sen a

v l sen b

La relaciónn es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y vla velocidad de la luz dentro del material. Si los fotones viajan en el material 1 y






la velocidad de la luz dentro del material. Si los fotones viajan en el material 1 yde ahí pasan al material 2, las velocidades de los haces incidentes y refractadosdependen de la relación entre sus índices de refracción.

v1 = n1 = sen a

v2 n2 sen b

Con la última expresión de esta igualdad podemos determinar si el haz serátransmitido como un haz refractado o si se reflejará. Si el ángulo b es igual a90°, el haz que viajaba a través del material se refleja.

Cuando el material ser polariza fácilmente habrá más interacción de fotones con la estructura electrónica del mismo. Entonces, es de esperarse una relación entreel índice de refracción y la constante dieléctrica del material.

- Reflexión. Cuando un haz de fotones golpea un material, éstos interactúan conlos electrones de valencia y ceden su energía. Cuando las bandas de valencia noestán totalmente ocupadas, cualquier radiación, de casi cualquier longitud deonda, excita a los electrones hacia niveles superiores de energía. Podríaesperarse que, si los fotones son totalmente absorbidos, no se reflejaría luz y elmaterial aparecería de color negro. Sin embargo, cuando fotones de longitud casiidéntica vuelven a ser emitidos, mientras que los electrones excitados regresan asus niveles inferiores de energía, ocurre la reflexión. Dado que la totalidad delespectro visible se refleja, los materiales con esta propiedad tienen un colorblanco o plateado (en los metales).La reflectividad R da la fracción del hazincidente que se refleja y está relacionada con el índice de refracción. Si elmaterial esta en el vacío o en el aire:

R= n-1 n+1

Si el material está en algún otro medio, con un índice de refracción ni entonces:

R= n- ni n+ni

Los materiales con alto índice de refracción tienen mayor reflectividad queaquellos cuyo índice es bajo. La reflectividad y el índice de refracción varían conla longitud de onda de los fotones.

- Absorción. La porción de haz incidente que no es reflejada por el materialesabsorbida o transmitida a través del mismo. La fracción de luz absorbida estárelacionada con el espesor del material y la forma en la cual los fotonesinteractúan con su estructura. La intensidad del haz, después de pasar a travésdel material, está dada por:

I = I0 exp (-m x)

donde x es la trayectoria a través de la cual se mueven los fotones (por logeneral, el espesor del material), m es el coeficiente lineal de absorción delmaterial para los fotones, I0 es la intensidad del haz, después de reflejarse en lasuperficie delantera, e I es la intensidad del haz cuando llega a la superficietrasera.

La absorción ocurre debido a varios mecanismos. En la dispersión de Raleigh, elfotón interactúa con electrones en órbita y sufre una deflexión sin cambios de






energía; este resultado es más significativo para átomos con alto númeroatómico y para fotones de baja energía. La dispersión Compton es causada por lainteracción entre electrones en órbita y fotones; así, el electrón es expulsado delátomo y, por tanto, consume parte de la energía del fotón. De nuevo, átomoscon números atómicos más altos y energías de fotón menores causan mayordispersión. El efecto fotoeléctrico se presentará cuando al energía del fotón seconsuma al romperse la unión entre el electrón y su núcleo. Conforme la energíadel fotón aumenta (reduciendo la longitud de onda), ocurrirá menos absorción,hasta que el fotón tenga una energía igual a la de la unión. A este nivel deenergía, el coeficiente de absorción se incrementa de manera significativa. Laenergía o longitud de onda a la que esto ocurre se conoce como margen deabsorción. Cuando los fotones no interactúan con imperfecciones del materia, sedice que éste es transparente. Éste es el caso del vidrio, cerámicos cristalinos dealta pureza y de polímeros amorfos como acrílicos, policarbonatos y polisulfones.

- Transmisión. La fracción del haz que no ha sido reflejada ni absorbida setransmite a través del material. Podemos determinar la fracción del haz que seha transmitido por medio de la siguiente ecuación.

It= I0 (1- R )2 exp (-m x)

De nuevo observamos que la intensidad del haz transmitido dependerá de lalongitud de onda de los fotones dentro del haz. Si sobre un material incide unhaz de luz blanca y se absorben, se reflejan y se transmiten fraccionesequivalentes de fotones con longitudes de onda diferentes, el haz transmitidotambién será de luz blanca. Pero, si los fotones de longitud de onda más largason absorbidos en mayor proporción que los de longitud de onda más corta, laluz transmitida aparecerá del color de la longitud de onda corta cuya absorciónhaya sido menor. La transparencia no es otra cosa que la transmisión íntegra delos haces de luz que inciden sobre el material y la intensidad del haz tambiéndepende de características microestructurales.

Cuando cualquiera de estos tres fenómenos ópticos se da de forma que solofotones con un intervalo específico de longitud de onda son absorbidos,reflejados o transmitidos, se producen propiedades ópticas poco comunes, quese traducen en cambios de color (policromía), colores característicos (como elrojo del láser de rubí dopado), etc.

En el siguiente capítulo continuaremos con el estudio de fenómenos ópticos, estavez considerando los casos en que los fotones son emitidos por un material.






5. Propiedades de los Materiales. (Ópticas II)

Ahora, terminaremos nuestro estudio de las propiedades ópticas con el tema delos fenómenos de emisión.

Fenómenos de emisión. Un material puede emitir fotones cuya energía E estádada por la siguiente ecuación:

E = hv = hc l

c es la velocidad de la luz (3x1010 cm/s) y h es la constante de Planck(6.62x10-14 J × s). Esta ecuación permita considerar al fotón como una partículade energía E o como una onda, con longitud de onda frecuencia características.Dependiendo del origen de los fotones, se pueden producir radiaciones en unagran gama de longitudes de onda.

A continuación se presentan algunos ejemplos específicos de este tipo defenómenos:

- Rayos Gamma - Interacciones nucleares. Los rayos gamma son fotones deenergía muy elevada, emitidos durante la descomposición radiactiva de núcleosinestables de ciertos átomos. Así la energía de los rayos gamma depende de laestructura del núcleo que los origina.

- Rayos X - Interacciones en las capas internas de los electrones. Los rayos Xcuya energía es ligeramente menor que la de los rayos gamma, son producidosal estimular los electrones de las capas internas del átomo. Este estímulo puedeconsistir en electrones de alta energía u otro rayo X. Así se emiten rayos X deespectro continuo y espectro característico. Cuando un electrón de alta energíagolpea un material, al desacelerarse cede energía, que es emitida en forma defotones. Cada vez que el electrón golpea un átomo, cede una parte adicional desu energía; cada una de estas interacciones puede ser más o menos severa, porlo que en cada ocasión el electrón cede una fracción distinta de su energía,produciendo fotones de longitudes de onda diferentes, produciendo un espectrocontinuo. Si el electrón perdiera toda su energía en un solo impacto, la longitudde onda mínima de los fotones emitidos sería el equivalente a la energía originaldel estímulo; esta longitud de onda mínima se conoce como límite de longitud deonda corta. Este límite se reduce al aumentar la energía del estímulo, lo queincrementa el número y la energía de los fotones emitidos. El estímulo tambiénpuede tener energía suficiente para excitar un electrón de un nivel inferior deenergía y pasarlo a un nivel superior. El electrón excitado no es estable y , a finde restaurar el equilibrio, el nivel inferior no ocupado se llena con electronesprovenientes de un nivel superior. Este es el proceso que emite un espectrocaracterístico de rayos x, que es diferente para cada tipo de átomo.

- Luminiscencia - Interacciones de las capas exteriores de electrones. Laluminiscencia es la conversión de radiaciones y otras formas de energía en luzvisible. Ocurre cuando una radiación incidente excita electrones de la banda devalencia, para pasar a través de la brecha de energía y haciéndolos llegarfinalmente a la banda de conducción. Estos electrones excitados se quedanbrevemente en niveles superiores de energía, y cuando regresan a la banda de






valencia emiten fotones. Si la longitud de onda de estos fotones está dentro dela parte del espectro que es visible al ojo humano, aparecerá la luminiscencia.

- Diodos emisores de luz - Electroluminiscencia. Los diodos emisores de luz (LED)se basan en la aplicación de un voltaje externo, que causa transicioneselectrónicas y electroluminiscencia. Estos dispositivos de unión p-n estándiseñados de forma que Eg este dentro de nuestro espectro de luz visible. Unvoltaje aplicado al diodo en dirección de polarización directa hace que en la uniónse recombinen huecos y electrones, lo que obliga a estos a emitir fotones.

- Láser - Amplificación de la luminiscencia. El láser (siglas en inglés de lightamplification by stimulated emisión of radiation, o amplificación de la luzmediante emisión estimulada de radiación), es una aplicación especial de laluminiscencia. Al calentarse un material, los electrones saltan de la banda devalencia hacia la banda de conducción, dejando atrás "huecos" en la banda devalencia. Cuando un electrón vuelve a la banda de valencia recombinándose conun hueco, se produce un fotón, con energía y longitud de onda equivalentes a labrecha de energía. Este fotón estimula otro electrón, para que baje de la bandade conducción hacia la banda de valencia, creando un segundo fotón con longitudde onda y frecuencia idénticas y en fase con el primer fotón. Así, los fotonesemitidos en el material se amplifican. Seleccionando cuidadosamente elestimulante y el material, podemos hacer que la longitud de onda de los fotonescaiga dentro de nuestro espectro de luz visible. La salida del láser es un haz defotones paralelos y coherentes, de una misma longitud de onda. En un hazcoherente, la naturaleza ondulatoria de los fotones está en fase, por lo que noocurren interferencias destructivas. Los rayos láser son útiles en tratamientotérmico y fusión de metales, en soldadura, cirugía, cartografía, en la transmisióny procesamiento de información y otras aplicaciones.

- Emisión térmica. Al calentarse un material, los electrones se excitantérmicamente hasta llegar a niveles energéticos superiores, particularmente enlos niveles superiores de energía, donde los electrones están débilmente unidosal núcleo. De inmediato estos regresan a sus niveles normales, liberando fotones.Conforme se incrementa la temperatura, la agitación térmica aumenta y tambiénla máxima energía de los fotones emitidos. Se emite un espectro continuo deradiación, con una longitud de onda mínima y una distribución de intensidaddependientes de la temperatura. Algunos de los fotones pueden tener longitudesde onda dentro de nuestro espectro visible, por lo que el color del materialcambiará con la temperatura. A temperaturas bajas, la longitud de onda de laradiación es demasiado larga para ser vista. Conforme la temperatura asciende,los fotones emitidos son de longitudes más cortas. A los 700 ° C comienza averse un tinte rojizo y de esta temperatura en adelante, se producen todas laslongitudes de onda visibles, hasta que es espectro emitido es una luz blanca.Midiendo con un pirómetro la intensidad de una banda estrecha de las longitudesde onda emitidas, se puede estimar la temperatura del material.

Con esto finalizamos lo referente a las propiedades de los materiales.

En la próxima entrega nos dedicaremos a la clasificación general de losmateriales y comenzaremos a estudiar lo referente al grupo de los metales.






6. Clasificación de los materiales.(Metales I)

A partir de este capítulo empezaremos a estudiar las características de cada unode los grupos de materiales.

Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos,polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cadauno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas.

Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica ytérmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles enaplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales)conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción opermiten una mejor combinación de propiedades.

Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados amenudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos.Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean losuficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados enaplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: elladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos.

Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculasorgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia ydebe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, enlos que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienenbuena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestablesson más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertementeenlazadas los hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas endispositivos electrónicos.

Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso endispositivos electrónicos. Son muy frágiles.

Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir dedos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no seencuentran en ninguno de los materiales de forma individual.

Ahora, comencemos con el grupo de los metales.

De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden serclasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones másexternos en un átomo neutro son cedidos fácilmente. Esta característica es lacausa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo ymaleabilidad.

El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sinembargo, toleran un considerable cantidad de elementos en estado sólido olíquido. Así, la mayor parte de los materiales metálicos comúnmente usados sonmezclas de dos o más metales elementales. Es posible realizar estas mezclas devarias maneras, pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arribade su punto de fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denominaaleación.






El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los productos metalúrgicos en lassiguientes clases:F Aleaciones férreasL Aleaciones ligerasC Aleaciones de cobreV Aleaciones varias

Cada clase contiene series de materiales caracterizados por una aplicacióncomún; a su vez, cada serie se divide en grupos de materiales con característicasafines y específicas. Y el grupo esta compuesto por individuos que indican un tipodefinido del material considerado. Así, la identificación de un productodeterminado depende de la indicación:

Clase- Serie- Grupo- Individuo

Ejemplo: F-517 donde:F = Aleación férrea5 = Acero para herramientas1 = Grupo de aceros de carbono7 = Composición

Aleaciones Férreas.

Son las sustancias férreas que han sufrido un proceso metalúrgico. Tambiénllamados productos siderúrgicos, pueden clasificarse en: Hierro. Aceros.Fundiciones. Ferroaleaciones. Aleaciones férreas especiales. Conglomeradosférreos.

De todos estos productos siderúrgicos, son los aceros y fundiciones losempleados por excelencia en la fabricación mecánica y ya en menor proporción,los conglomerados no férreos. De estos últimos hablaremos de forma más ampliaen capítulos posteriores.

Hierro.

Nombre de un elemento químico, blanco-gris, peso especifíco 7.85, punto defusión 1530 ° C, peso atómico 55.84, No. Atómico 26, insoluble, punto deebullición 2450° C, magnético hasta los 770° C, resistencia a la tracción 25 Kg/mm2.

También aplica a los hierros industriales que son productos siderúrgicos de losque, solamente con carácter de impurezas pueden formar parte otros elementos.

El hierro puro carece de una gran variedad de usos industriales debido a susbajas características mecánicas y la dificultad de su obtención. Encuentraaplicaciones en la industria eléctrica dadas sus cualidades de permeabilidadmagnética.

En los capítulos siguientes trataremos los restantes subgrupos y suscaracterísticas.






7. Clasificación de los materiales. (Metales II:Aceros)

Continuando con los metales, este capítulo esta enteramente dedicado alsiguiente subgrupo de la lista de aleaciones férreas, los aceros, debido a que actualmente tienen un lugar preponderante entre los materiales metálicos.

Acero.

Es una aleación de hierro y carbono, que puede contener otros elementos, en laque el contenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7 %, no rebasa el límite de susaturación al solidificar quedando todo él en solución sólida.

El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas delacero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia yla dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil.

Clasificación de los aceros.

El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los aceros en las siguientes series:

F-100 Aceros finos de construcción general.

F-200 Aceros para usos especiales.

F-300 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación.

F-400 Aceros para emergencia.

F-500 Aceros para herramientas.

F-600 Aceros comunes.

Cada una de estas series de subdivide en grupos, obteniendo:

Grupo F-110 Aceros al carbono.

Grupo F-120 Aceros aleados de gran resistencia.

Grupo F-130 " "

Grupo F-140 Aceros aleados de gran elasticidad.

Grupo F-150 Aceros para cementar.

Grupo F-160 " "

Grupo F-170 Aceros para nitrurar.

Grupo F-210 Aceros de fácil mecanizado.

Grupo F-220 Aceros de fácil soldadura.

Grupo F-230 Aceros con propiedades magnéticas.

Grupo F-240 Aceros de alta y baja dilatación






Grupo F-250 Aceros de resistencia a la fluencia.

Grupo F-410 Aceros de alta resistencia.

Grupo F-420 " "

Grupo F-430 Aceros para cementar.

Grupo F-510 Aceros al carbono para herramientas.

Grupo F-520 Aceros aleados.

Grupo F-530 " "

Grupo F-540 " "

Grupo F-550 Aceros rápidos.

Grupo F-610 Aceros Bessemer.

Grupo F-620 Aceros Siemens.

Grupo F-630 Aceros para usos particulares.

Grupo F-640 " "

Formas comerciales del acero.

El acero que se emplea para la construcción mecánica y metálica tiene tresformas usuales: barras, perfiles y palastros.

Barras. Se obtienen en laminación y trefilado en hileras pudiendo obtenersecciones de las siguientes formas:

Pletinas. Cuando el espesor es igual o menor de la décima parte del ancho dela sección. Cuando el espesor es más delgado, se llaman flejes.

Media caña o pasamanos.

Triángulo

Cuadrado

Hexágono y 120 mm. El acero dulce con d £ 5 y grandes

Redondo

Perfiles. Se obtienen por laminación, siendo su longitud de 4 a 12 m. los máscorrientes son:

Doble T Utilizadas como vigas las hay hasta de 600 mm de altura.

U Forma vigas compuestas. Hasta 300mm de altura

Zeta De dimensiones comprendidas entre 30 a 200 mm

Tubo Que puede ser de sección cuadrada, circular, etc.

Aceros: composición química.

En el acero, además de hierro y carbono como elementos fundamentales,intervienen elementos accidentales, entre ellos el azufre y el fósforo, que dada su






intervienen elementos accidentales, entre ellos el azufre y el fósforo, que dada suafinidad con el acero, son difíciles de eliminar, no obstante se reducen aproporciones inofensivas (< 0.05 %); otros elementos facilitan la obtención,como el silicio y el manganeso que adicionados en pequeñas proporciones (0.2 a0.9 %) evitan la oxidación del metal fundido, el resto (97.5 a 99.5%) es hierro.Los aceros con esta composición se llaman aceros al carbono.

Atendiendo al porcentaje de contenido en carbono, estos aceros suelendenominarse como se indica en el siguiente cuadro:

Porcentaje de Carbono Denominación Resistencia0.1 a 0.2 Aceros extrasuaves 38 - 48 Kg / mm20.2 a 0.3 Aceros suaves 48 - 55 Kg / mm20.3 a 0.4 Aceros semisuaves 55 - 62 Kg / mm20.4 a 0.5 Aceros semiduros 62 - 70 Kg / mm20.5 a 0.6 Aceros duros 70 - 75 Kg / mm20.6 a 0.7 Aceros extraduros 75 - 80 Kg / mm2

Aceros aleados y especiales.

Además de los elementos de los aceros al carbono, tienen adicionados elementoscomo: cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adición de taleselementos modifica o mejora las propiedades del acero. Los efectos queproporciona cada uno de los elementos son los siguientes:

Azufre.

Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un 0.05%, en caliente produce una gran fragilidad del acero, sus efectos perjudicialespueden neutralizarse en parte con la adición del manganeso, que se combina conél formando sulfuro de manganeso. A veces se adiciona en proporciones de 0.1 a0.3 % con un contenido mínimo de manganeso de 0.6 %, dando lugar a acerosllamados de fácil mecanización, que tienen menor resistencia, pero pueden sertrabajados con velocidades de corte doble que un acero corriente.

Cobalto.

Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de laherramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta laspropiedades magnéticas de los aceros.

Cromo.

Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza, resistencia y tenacidada cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a losaceros características de inoxidables y refractarios.

Manganeso.

Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de los aceros.

Molibdeno.

Junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer el acero. Evita lafragilidad.






Níquel.

Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad proporciona unagran resistencia a la corrosión.

Plomo.

El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma depequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácilmecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) yaque el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0.5 %debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente.

Silicio.

Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, además lesproporciona elasticidad. Si la proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienenbuenas características magnéticas.

Tungsteno.

Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportandobien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona acerosrápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros alcarbono para herramientas.

Vanadio.

Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro,que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y podercortante en los aceros para herramientas.

Toda esta información es sólo la punta del iceberg respecto a los aceros, sinembargo es más que suficiente material de estudio para un capítulo. En lapróxima entrega, tendremos lo correspondiente a fundiciones, ferroaleaciones,aleaciones férreas especiales y conglomerados férreos.






8. Clasificación de los materiales. (Metales III)

Ahora, vamos completar nuestro estudio de los materiales metálicos férricos conlos últimos cuatro grupos.

Fundición.

Es una aleación de hierro y de carbono, pudiendo contener otros elementos ,estando el carbono en una proporción superior al 1. 76 % (generalmente de 2 a5 %), valor que constituye el límite de saturación en la solidificación ,formándose en tal momento los constituyentes de carburo de hierro y grafitolibre además del hierro.

Clasificación de las fundiciones.

Las características de una fundición no sólo dependen de su composiciónquímica, sino también del proceso de elaboración, ambas cosas determinan laforma de presentarse el carbono (combinado, en forma de grafito laminar,esferoidal, etc.)

Se distinguen dos grandes grupos de fundiciones: ordinarias, constituidas porhierro, carbono y pequeñas impurezas y las especiales que además de loanterior, contienen uno o varios elementos que modifican sus características.

Las fundiciones ordinarias se pueden clasificar por el aspecto de su fracturadistinguiéndose las cuatro siguientes:

· Fundiciones negras

· Fundiciones grises

· Fundiciones blancas

· Fundiciones atruchadas

Fundiciones negras son aquellas que presentan facetas negras brillantes, muydesarrolladas, formadas por cristales de grafito, su grano grueso.

Las fundiciones grises tienen un aspecto color gris brillante con grano fino. Estasfundiciones contienen el carbono en estado grafítico repartido en finas laminaspor entre la masa de hierro. La fundición gris se emplea para ,la mayoría de laspiezas mecánicas que han de servir de soporte o de alojamiento de losmecanismos.

En las fundiciones blancas, el carbono esta completamente combinado con elhierro, formando carburo de hierro (cementita) que es un constituyente muyduro, pero frágil.

Fundiciones atruchadas, son intermedias entre la blanca y la gris, poseenpropiedades intermedias entre ambas fundiciones y su fractura presenta amboscolores característicos.

Las fundiciones no permiten operaciones de forja.

La clasificación establecida por el Instituto del Hierro y el Acero de las fundiciones






utilizadas en al construcción mecánica es la siguiente:Serie F-800 Fundiciones.Grupo F-810 Fundiciones grises.Grupo F-830 Fundiciones maleables.Grupo F-840 Fundiciones maleables perlíticas.Grupo F-860 Fundiciones nodulares.Grupo F-870 Fundiciones especiales.

Fundición maleable

Es la obtenida a partir de una fundición blanca mediante el adecuado tratamientotérmico, adquiriendo una aceptable maleabilidad.

Fundiciones nodulares

En estas fundiciones el grafito solidifica en forma de pequeñas esferas, gracias ala adición de elementos tales como el cerio y el magnesio, con lo cual aumentaconsiderablemente su resistencia a la tracción.

Fundiciones especiales.

Son fundiciones especiales aleadas con otros elementos tales como Mn, Cr, Mo,Ni, Cu, etc. Logrando propiedades determinadas: alta resistencia a la tracción, aldesgaste, a las altas temperaturas, a la corrosión, etc.

Ferroaleaciones

Son productos siderúrgicos que, sin tener necesariamente un marcado caráctermetálico, contiene además del hierro uno o varios elementos (metales ometaloides) que los caracterizan.

Las ferroaleaciones encuentran su empleo en la metalurgia para la fabricación deaceros que han de responder a ciertas condiciones, así:

Ferromanganesos que se utilizan en la obtención de aceros al manganeso

Ferrocromos que se emplean en la obtención de aceros al cromo

Ferrosilicios utilizados en la obtención de aceros al silicio.

Ferrotungstenos sirven para la obtención de aceros rápidos para herramientas yaceros para imanes.

Ferrovanadios y ferromolibdenos que se emplean para la fabricación de aceros alvanadio y al molibdeno, respectivamente, etc.

Aleaciones Férreas especiales.

Son las que no pertenecen a ninguno de los grupos anteriores, pero contienenhierro como metal base.

Conglomerados férreos

Son los productos obtenidos para la unión entre sí, de partículas de sustanciasférreas con tal coherencia que resulte una masa compacta.

A partir de la siguiente entrega comenzaremos a estudiar lo referente amateriales metálicos no férricos.






9. Clasificación de los Materiales. (Metales noférricos)

Bueno, ya que hemos terminado de ver las generalidades de los materialesmétalicos férricos, aún nos queda saber lo concerniente a aquellos materiales queno tienen relación con el hierro.

Aluminio

Es un metal de color blanco plateado, siendo su principal característica suligereza que lo hace muy útil en variadas aplicaciones. Es dúctil y maleable, buenconductor de la electricidad y del calor. Tiene un peso específico de 2.7 Kg / dm3y funde a los 667 °C. Su resistencia a la tracción es de unos 10 Kg / mm2 si esfundido o recocido, valor que se duplica si esta laminado en frío (agrio); estaresistencia decrece rápidamente si aumenta la temperatura, así: a 300 ° C suresistencia disminuye a un tercio y a 500 ° C a un décimo de su valor en frío.

Se distinguen dos clases de aluminio: puro (99.88 % de Al) y técnico (99 % 98%... de Al). El primero se emplea excepcionalmente, mientras que el aluminiotécnico encuentra mayor campo de aplicaciones.

Aleaciones de aluminio.

Las propiedades mecánicas del aluminio mejoran considerablemente si se aleacon otros metales, tales como el cobre, magnesio, silicio, zinc, plomo, etc. En lanorma UNE 38.001 se establece la siguiente clasificación:

Serie L-200. Aleaciones ligeras de Al para moldeo.

Serie L-300. Aleaciones ligeras de Al para forja.

Serie L-400. Aleaciones ligeras de Al de alta fusión.

Cobre

Este metal puede encontrarse en estado nativo en la naturaleza, principalmenteformando compuestos minerales: pirita de cobre, cobre oxidado, etc. Suobtención a partir de estos minerales es posible a través de tres procedimientos:

· Reduciendo el óxido de cobre en hornos apropiados, teniendo como producto elcobre metalúrgico.

· Por medio del tratamiento con disolventes adecuados, lo que da un cobre muyimpuro al que hay que refinar.

· Por vía electrolítica, con lo que se obtiene un cobre muy puro.

Según su pureza, las características del cobre varían, manteniéndose dentro delos siguientes límites:- Densidad 8.8-8.9- Punto de fusión 1,0564 ° C - 1,083° C- Resistencia a la tracción 20 45 Kg. / mm2

Sólo se oxida superficialmente y su color rojizo se vuelve verdoso.






El cobre es muy maleable pudiendo laminarse en hojas hasta de 0.02 mm deespesor, también permite estirarlo en hilos finísimos. Sus principales aplicacionesson: fabricación de hilos, cables, láminas, en instalaciones eléctricas, en laconstrucción de recipientes y útiles diversos, además de en la fabricación demúltiples aleaciones.

Denominación

La serie que denomina a los cobres es la C-100, siendo los respectivos grupos lossiguientes:Grupo C-100 Cobres afinados.Grupo C-130 Cobres exentos de oxígeno.Grupo C-140 Cobres desoxidados.

Algunas de las aleaciones de cobre más conocidas son el bronce, que es laaleación de cobre con estaño y el latón que es una aleación de cobre y zinc.

Zinc

Metal de color blanco azulado, de aspecto brillante en el corte reciente quepronto se empaña al contacto con el aire, formándose una capa de superficial dehidrocarbonato cíncico de aspecto mate, pero que servirá de protección al restode la masa contra una alteración más profunda.

Su peso específico es del orden de 7.1 Kg. / dm3, su temperatura de fusión 419° C. A bajas temperaturas e incluso a temperatura ambiente el zinc común esbastante frágil., pero entre los 100 a 180 ° C es muy maleable, haciendo posibleconformar piezas a prensa incluso de perfiles complicados, por encima de los205 ° C vuelve a ser frágil. La resistencia de la tracción de los productoslaminados oscila entre 14 a 25 Kg. / mm 2 según se encuentren recocidos oagrios. Es poco tenaz. El aspecto de su fractura es cristalino grueso.

El zinc es atacado y disuelto en poco tiempo por los ácidos fuertes y también porlos álcalis hirvientes.

Aplicaciones

Este metal tiene hoy numerosas aplicaciones industriales, solo o aleado, porejemplo, con el cobre para formar latón o con pequeñas proporciones dealuminio (14 %), cobre (1 %) y aún menor cantidad de manganeso para obtenerla aleación para fundir denominada ZAMAK. Además, es usado para recubrir yproteger contra el óxido la chapa de hierro (metalizado y galvanizado)

Algunas de las formas comerciales del zinc sin alear son: chapa, tubo y alambre,que encuentran aplicaciones en bajadas de agua, canalones, depósitos diversos,electrodomésticos, etc.

Estaño

Metal mucho menos denso que el plomo, pero más que el zinc, es dúctil ybrillante, de color blanco plata. Su estructura es cristalina, cuando se dobla envarillas se oye un crujido especial, llamado grito de estaño.

Tiene un peso específico de 7.29 Kg. / dm3, siendo su temperatura de fusión223° C. A temperaturas inferiores a los 18 °, el estaño se vuelve pulvurulento, yconstituye la variedad alotrópica denominada estaño gris de peso específico 5.8






Kg / dm3, comienza la transformación por uno o varios puntos y se propaga pocoa poco a toda la pieza, lo cual se conoce como lepra, peste o enfermedad delestaño.

El estaño es muy maleable, pudiendo ser laminado en hojas de papel de estañode algunas milésimas de milímetro de espesor. No se altera en frío al aire seco ohúmedo, es atacado por los ácidos y por las bases, por lo que hay que evitar eltraslado de estos productos en recipientes estañados de hojalata.

Aplicaciones

El estaño se puede emplear puro en forma de papel para la envoltura yconservación de productos alimenticios, también se emplea en la industriaeléctrica para hacer láminas de condensadores. Asimismo se utiliza paraproteger contra el óxido la chapa de hierro (hojalata) con que se construyenrecipientes y latería para envase de productos.

Otro aspecto de las aplicaciones del estaño es su aleación con otros metales,principalmente con cobre (en bronces), con plomo para obtener aleaciones desoldadura blanda y con antimonio y cobre o antimonio y plomo para formarmateriales antifricción utilizados en cojinetes.

Plomo

Metal gris azulado, pesado, dúctil, maleable, blando, muy fusible, en contactocon el aire se toma y empaña con facilidad, los compuestos son muy venenosos.

Tiene un peso específico de 11.35 Kg. / dm3 funde a 327.4 ° C y su resistencia atracción oscila entre 1.5 a 2 Kg. / mm2. Recién cortado presenta un brillometálico y su estructura es fibrosa. A pesar de que resiste bien el HCl y elH2SO4, el HNO3, los halógenos y el vapor de azufre lo atacan.

Aplicaciones

El estaño puro se utiliza en planchas, empleadas en cubiertas; en recipientesresistentes a ciertos reactivos ácidos; como elemento impermeable a laradiación; en placas de baterías y acumuladores; como tubos para conducción deagua; en forma de alambres, fusibles, perdigones, postas, etc.

Como elemento de aleación participa en la fabricación de aceros al plomo,soldaduras blandas, metales antifricción además de bronces y latones especiales.También encuentra aplicaciones en forma de óxidos, para la obtención depinturas de protección anticorrosiva.

Magnesio

Metal de color y brillo semejantes a los de la plata, es maleable, poco tenaz yligero como el aluminio.

Tiene un peso específico de 1.74 Kg / dm3 y su punto de fusión es de 650 ° C.En estado líquido o en polvo es muy inflamable. Es inalterable en aire seco, peroes poco resistente a la corrosión en atmósferas húmedas.

Aplicaciones

Suele utilizarse en la industria mecánica en forma de aleaciones existiendoaleaciones de magnesio para forja, compuestas por magnesio y un 1 o 2 % demanganeso (Magmanz) o compuesta por 8 o 9 % de aluminio de un 1 % de zinc






manganeso (Magmanz) o compuesta por 8 o 9 % de aluminio de un 1 % de zincy un 0.2 % de manganeso y el resto de magnesio (magal), esta última tienemayor resistencia a la tracción que la primera, pero tiene el inconveniente de noser soldable.

Las aleaciones de magnesio debido a su ligereza ( nunca sobrepasan 1.8Kg./dm3) son muy utilizadas en la industria aeronáutica.

En nuestro próximo capítulo trataremos brevemente lo concerniente a losdiagramas de fase.






10. Diagramas de fase y comportamiento ópticode los metales.

En este breve capítulo trataremos los puntos básicos acerca de los diagramas defases.

Diagramas de fase e interpretación.

Un sistema de aleaciones es la unión de dos o más metales en todas suscombinaciones posibles, es decir, considerando todas las concentracionesposibles del metal A con el metal B.

Un diagrama de fase es un esquema que muestra las fases y sus composicionesen cada temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sóloestán presentes dos elementos se puede elaborar un diagrama de fases binario.

Cada fase tiene una composición expresada en porcentajes de cada uno de loselementos, expresado en peso.

La curva superior en el diagrama es la temperatura de liquidus para las distintasaleaciones. Esto significa que la aleación debe calentarse por encima de latemperatura acotada por liquidus para hacerla completamente líquida y queempezará a solidificarse cuando se la enfríe hasta la temperatura marcada porliquidus.

La temperatura de solidus es generalmente la curva inferior. Una aleación noestará totalmente sólida sino hasta que se enfríe por debajo de la temperatur desolidus.

La diferencia de temperatura entre liquidus y solidus se denomina rango desolidificación . Dentro de este rango coexistirán dos fases: una líquida y otrasólida.

El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases estánpresentes a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso defabricación para un producto metálico.

Varias combinaciones de dos elementos producen diagramas de fase complejosque contienen reacciones que implican tres fases independientes. Existen cincoreacciones de tres fases de mayor importancia en los diagramas binarios y son:eutéctica, peritéctica, monotéctica, eutectoide y peritectoide.

Las reacciones eutéctica, peritéctica y monotéctica forman parte del proceso desolidificación. Las aleaciones que se utilizan para fundición o soldaduraaprovechan el bajo punto de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fasesde la aleaciones monotécticas tiene un domo llamado zona de miscibilidad, endonde coexisten dos fases líquidas.. Las reacciones peritécticas conducen a lasolidificación fuera de equilibrio y a la segregación.

Las reacciones eutectoide y peritectoide son exclusivas del estado sólido. Lareacción eutectoide forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas dealeaciones, incluyendo el acero. La reacción peritectoide es extremadamentelenta y produce indeseables estructuras fuera de equilibrio.






Aleaciones eútecticas

Un sistema eutéctico es aquel en el cual cierta combinación de los componentes presenta completa solubilidad en estado líquido, pero solubilidad sólida limitada,lo que significa que cuando una aleación eutéctica solidifica, los átomos de losmetales componentes se segregan para formar regiones de los metalesoriginales casi puros.

Las aleaciones eutécticas son frágiles por que la presencia de las fases insolublesinhibe el deslizamiento. La resistencia y a veces la dureza de estas aleacionesllegan a sobrepasar las de los metales componentes, debido a la estructuracompuesta de la aleación.

Aparte, se denomina aleaciones hipoeutécticas a aquellas que cuya composiciónes menor que la correspondiente a las eutécticas , así como aquellas cuyocontenido es mayor son llamadas hipereutécticas.

Comportamiento Óptico de los metales.

El fenómeno de emisión conocido como luminiscencia no ocurre en los metales.Los electrones simplemente son excitados para pasar a niveles superiores deenergía de la banda de valencia no totalmente ocupada y, cuando el electrónexcitado regresa al nivel inferior de energía, el fotón producido tiene una energíamuy pequeña y una longitud de onda superior a la de nuestro espectro de luzvisible.

En cuanto a reflectividad, en los metales es típicamente del orden de 0.9 a 0.95.Esta alta reflectividad es una de las razones por las cuales son opacos, es decir,que no transiten la luz.

En los metales, el coeficiente de absorción tiende a ser grande, particularmenteen el espectro de luz visible. Dado que en los metales no hay brecha de energía,cualquier fotón tienen la potencia suficiente como para excitar un electrón paraocupar un nivel superior de energía, absorbiendo la del fotón excitado.

Este capítulo es muy corto comparado con los anteriores. Por favor, repasa loque hemos acerca de los metales, antes de estudiar la próxima entrega, quetrata acerca de los materiales cerámicos.






11. Clasificación de los materiales. (Cerámicos)

Ahora que hemos dado un vistazo superficial a lo referente a los metales,haremos lo propio con los materiales cerámicos.

Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden fases quecontienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentesles confieren 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. Tienen una ampliagama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico realsuele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicacionescríticas es muy limitado. Los materiales cerámicos no son tan simples como losmetales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de susestructuras cristalinas.

Se llama cristales a los acomodamientos atómicos repetitivos en las tresdimensiones. Esta repetición de patrones tridimensionales se debe a lacoordinación atómica dentro del material, algunas veces este patrón controla laforma externa del cristal. El acomodamiento atómico interno persiste, aunque lasuperficie externa se altere. Los acomodamientos cristalinos pueden tomar unode siete principales patrones de acomodamiento cristalino. Estos estánestrechamente relacionados con la forma en la que se puede dividir el espacio eniguales volúmenes por superficies planas de intersección.

Sistema Ejes Ángulos AxialesCúbico a1=a2=a3 Todos los ángulos = 90°Tetragonal a1=a2¹c Todos los ángulos = 90°Ortorrómbico a¹b¹c Todos los ángulos = 90°Monociclíco a¹b¹c 2 ángulos = 90°, 1 ángulo ¹ 90°Triciclíco a¹b¹c Todos los ángulos diferentes, ninguno = 90°Hexagonal a1=a2=a3¹c Ángulos = 90° y 120°Romboedral a1=a2=a3 Todos los ángulos iguales, pero ninguno de 90°

Cristales Cúbicos. Los átomos pueden acomodarse en un patrón cúbico con tresdiferentes tipos de repetición: cúbico simple (cs), cúbico de cuerpos centrados(ccc), y cúbico de caras centradas (ccac).

- Cúbico simple. Es hipotética para metales puros, pero representa un buenpunto de partida. Además de las tres dimensiones axiales a iguales y los ejes enángulos rectos, hay posiciones equivalentes en cada celdilla. Cada celdilla tienecontornos idénticos al centro a los de todas las celdillas unitarias en el cristal.Del mismo modo, cualquier posición específica es idéntica en todas las celdillasunitarias.

- Cúbico de cuerpos centrados. Cada celdilla unitaria tiene un átomo en cadavértice del cubo y otro átomo en el centro del cuerpo del cubo.

- Cúbica de caras centradas. Este tipo de estructura se caracteriza por que en la






esquina de cada celdilla unitaria y en centro de cada cara hay un átomo, pero nohay ninguno en el centro del cubo.

- Cristales Hexagonales. Existen dos representaciones de las celdillas unitariashexagonales simples. Este tipo de celdillas no tienen posiciones internas quesean equivalentes a las posiciones esquina. Además, existen estructurashexagonales. Compactas que se caracterizan por tener cada átomo en una capasituada exactamente arriba o debajo de los intersticios entre tres átomos de lascapas adyacentes. Así, cada átomo toca tres átomos de capa bajo un plano, seisátomos en su propio plano y tres en la capa superior.

Otros patrones cristalinos: No nos extenderemos más en cuanto a otros sistemasde cristales y retículas espaciales de otras estructuras cristalinas, por que losprincipios son comparables a los citados previamente.

Comportamiento Óptico de los cerámicos.

En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas devalencia y conducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, produciráfotones dentro del espectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia seobserva como dos efectos distintos: fluorescencia y la fosforescencia. En lafluorescencia, todos los electrones excitados vuelven a la banda de valencia y losfotones correspondientes son emitidos una fracción de segundo después dehaberse eliminado el estímulo. Predomina una longitud de onda, que correspondea la brecha de energía Eg. Los materiales fosforescentes tienen impurezas queintroducen un nivel donante dentro de la brecha de energía. Los electronesestimulados bajan primero al nivel de donante y quedan atrapados, por lo quedeberán escapar para regresar a la capa de valencia. Esto se traduce en unretardo antes de que los fotones sean emitidos, porque después de habereliminado en estímulo, los electrones capturados por el nivel donante escapan deforma gradual. La intensidad de esta luminiscencia está dada por:

ln I/I0 = t/t

donde t es el tiempo de relajación, que es una constante conocida del material.Después de tiempo t posterior a la eliminación de la fuente, la intensidad de laluminiscencia disminuirá de I0 a I . Los materiales fosforescentes son muyimportantes en la operación de las pantallas de televisión.

Debido a la naturaleza tan diversa de este tipo de materiales, es prácticamenteimposible generalizar su comportamiento. Por ejemplo, en cuanto a reflectividad,los vidrios típicos están próximos a 0.05, lo que, entre otras razones, explica sutransparencia; mientras que las porcelanas comunes, sin ser tan reflejantescomo los metales están por arriba de este dato, y son consideradas opacas.

Los cerámicos aislantes tienen una brecha de energía muy grande entre lasbandas de energía y de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes esmenor a la brecha de energía, ningún electrón ganará la suficiente como paraescapar de la banda de valencia y , por tanto, no ocurrirá absorción.

La transparencia en los vidrios puede verse afectada por dos factores: unapequeña cantidad de porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear unadispersión tal de fotones que el vidrio se vuelve opaco; y los precipitadoscristalinos, particularmente aquellos con un índice de refracción muy distinto almaterial de al matriz, que de igual forma causan dispersión. Así, precipitados oporos más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de los






poros más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de losfotones.

Así concluimos este capítulo referente a los cerámicos. En la próxima entregacomenzaremos con el estudio de los materiales polímericos. ¡Hasta entonces!






12. Clasificación de los materiales. (Polímeros I)

Continuando con el tema de las clasificaciones, les presento la primera parte dela información correpondiente a los materiales poliméricos.

Plásticos

Una materia es plástica, cuando se deforma bajo la acción de una fuerza yconserva la forma adquirida cuando cesa el esfuerzo. Industrialmente, cuando sehabla de plásticos, se trata principalmente de materias plásticas sintéticas.

Son materiales cuyo principal componente es un producto orgánico de pesomolecular elevado (derivados del petróleo, carbón, gas natural, etc.), que enalguna etapa de su fabricación han adquirido la suficiente plasticidad para darlesforma y obtener productos industriales tales como tubos, planchas, barras, etc., o piezas terminadas.

Productos Industriales > Extrusión

Piezas > Extrusión, Moldeo por compresión, Moldeo por inyección,Termoformado, Caldrado, Hilado, Colado, Moldeo por transferencia, Espumas,Mecanizado.

Extrusión : El material caliente y fluido se hace pasar a través de orificios(troquel extruidor) que le dan la forma deseada.

Moldeo por compresión: La materia prima plástica, en forma de polvo seco, seintroduce en el molde, se la somete a presión y temperatura elevada, hasta queel material plástico que rellena el molde se solidifica. Este proceso esprincipalmente utilizado en plásticos termoestables.

Moldeo por inyección: La materia prima se calienta en un cilindro de presión queinyecta la resina fundida, a través de una boquilla, en al cavidad de un moldeprovisto de un sistema de refrigeración que solidifica rápidamente en plásticoinyectado; un sistema automático expulsa la pieza fuera del molde. Esteprocedimiento es de utilidad en el moldeo de materias termoplásticas.

Termoformado: Las hojas de polímero termoplástico que son calentadas hastallegar a la región plástica se pueden conformar sobre un dado para producirdiversos productos, tales como cartones para huevo y paneles decorativos. Elconformado se puede efectuar utilizando dados, vacío y aire a presión.

Calandrado: Consiste en verter plástico fundido en un juego de rodillos con unapequeña separación. Los rodillos, que pudieran estar grabados con algún dibujo,presionan al material y forman una hoja delgada del polímero, a menudo clorurode polivinilo. Productos típicos de este método incluyen losetas de vinilo parapiso y cortinas para regadera.

Hilado: Se pueden producir filamentos, fibras e hilos mediante el hilado. Elpolímero termoplástico fundido se empuja a través de un dado, que contienemuchas perforaciones pequeñas. El dado, conocido como hilador puede girar yproducir un hilado. En algunos materiales, como el nylon, la fibra puede serposteriormente estirada para alinear las cadenas a fin de que queden paralelas al






eje de la fibra; este proceso incrementa su resistencia.

Colado: La mayoría de los polímeros se pueden colar en moldes, dejando que sesolidifiquen. Los moldes pueden ser placas de vidrio, para producir hojas deplástico gruesas, o bandas de acero inoxidables para colado continuo de hojasmás delgadas. Un proceso especial de colado es el moldeo centrífugo, en el cualel polímero fundido se vacía en un molde que gira sobre dos ejes. La accióncentrífuga empuja al polímero contra las paredes del molde, produciendo unaforma delgada.

Moldeo por transferencia: Requiere de una cámara doble . El polímero en una delas cámaras es calentado a presión. Una vez fundido se inyecta e n la cavidad deldado adyacente. Este proceso permite que algunas de las ventajas del moldeopor inyección se usen con polímeros termoestables.

Espumas: El producto final es un polímero que contiene espacios huecos. Paralograr esto el polímero se produce en pequeñas bolitas que contienen un agenteespumante, que al ser calentado se descompondrá, generando algún gas.Durante este proceso de preexpansión, las bolitas aumentan de tamaño 50 vecesy se hacen huecas. }A continuación, las bolitas preexpandidas se inyectan dentrode un dado, para fundirlas y unirlas a fin de formar productos excepcionalmenteligeros.

Mecanizado: Muchos plásticos son de fácil mecanización una vez transformadosen productos industriales, de ahí que se pueda tornear, limar, taladrar,etc.,pudiendo obtener la pieza totalmente mecanizada. Este procedimiento sólose utiliza si se trata de obtener muy pocas piezas que no compense el construirel molde.

Debido a su versatilidad, los polímeros son muy diversos en cuanto acaracterísticas y usos. En el siguiente capítulo los estudiaremos másdetallamente.






13. Clasificación de los Materiales. (PolímerosII)

Los plásticos sintéticos de uso más frecuente son:

Termoestables: Resinas fenólicas, resinas úricas, resinas melamínicas, resinasepoxi, de poliéster, poliuretanos.

Termoplásticos: Polivinílicos, poliestirénicos, poliamidas, policarbonatos,polietilénicos, polimetacrilatos, politetrafluoretilenos, elastómeros.

Plásticos termoestables: Endurecen bajo la acción del calor presión, y suendurecimiento es irreversible por haber sufrido una modificación en suestructura química, a nivel molecular, ya no se pueden remoldear o ablandarbajo la acción del calor y presión. Los plásticos termoestables son comparables ala arcilla, que una vez endurecida con el calor (cocida), su forma es definitiva.

- Resinas Fenólicas

Se obtienen de la combinación del fenol o ácido fénico con formaldehído. Tienenolor característico ácido fénico perceptible incluso en las piezas obtenidas deellas, particularmente si se las calienta. Estas resinas suelen utilizarse mezcladascon cargas de relleno, que mejoran algunas de sus características físicas, deacuerdo con la naturaleza de las cargas, oscilando entre lo siguientes valores:

- Peso específico............................................. oscila entre 1.3 a 1.9Kg./dm3

- Resistencia Tracción..................................

- Compresión.................................................

2.5 a 8.4 Kg. / mm2

7 a 25 Kg. / mm2-Color............................................................. oscuro, marrón, negro

- Combustibilidad........................................... arde con gran dificultad- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco- Envejecimiento............................................. oscurece ligeramente- Temperatura que soporta.............................. 116 ° C a 175 ° C- Nombres comerciales................................... Baquelita, Durita, Resiform...

Empleo: Material eléctrico (mangos de interruptores, clavijas, carcasas, cajasdiversas, etc.)

- Resina Urica

Tiene como materia básica la úrea sintética y el formaldehído. No da ningún olor,sus características físicas son:

- Peso específico....................................... 1.5 Kg. / dm3






- Resistencia Tracción............................

- Compresión...........................................

3.45 a 9 Kg. / mm2

17.5 a 26.5 Kg. / mm2-Color....................................................... blanco y colores claros

- Combustibilidad..................................... arde con dificultad- Permeabilidad a la luz........................... opalescente- Envejecimiento....................................... no tiene- Temperatura que soporta........................ 130 ° C a 138 ° C

- Nombres comerciales............................. Pollopas, Cellodal, Resimine,Resopla.

Empleo: Material eléctrico (interruptores, clavijas, etc., placas aislantes, artículosde cocina, etc. )

- Resina de melamina

Compuesta principalmente de melamina (obtenida del carburo de calcio ynitrógeno) y el formaldehído. No tiene olor. Sus características físicas son:

- Peso específico............................................. 1.5 Kg. / dm3- Resistencia Tracción..................................

- Compresión..................................................

3.5 a 9 Kg./ mm2

17.5 a 31 Kg. / mm2- Color............................................................. claros- Combustibilidad........................................... arde con dificultad- Permeabilidad a la luz.................................. opalescente- Envejecimiento............................................. oscurece ligeramente- Temperatura que soporta.............................. 130 ° C a 210 ° C- Nombres comerciales................................... Novoplay, Ultraplas.

Empleo: Similar a las resinas úricas.

- Resinas de poliéster

Se derivan del alquitrán de hulla y del estirol, son incoloros, aunque se puedencolorear a voluntad; se utiliza con cargas de fibra de vidrio, proporcionándoleuna considerable resistencia. A continuación, sus principales característicasfísicas:


- Compresión..................................................

4 a 9 Kg. / mm2

9 a 25 Kg. / mm2-Color............................................................. cualquier color

- Combustibilidad........................................... arde difícilmente,autoextinguiéndose

- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco.






- Temperatura que soporta.............................. 121 ° C- Nombres comerciales................................... Filón, Lamilux.

Empleo: Cascos para embarcaciones, carrocerías de automóviles, placastransparentes para cubiertas, además se utilizan como pinturas muy duras.

- Poliuretanos

Son materiales sintéticos que proporcionan productos de gran elasticidad: gomaespuma, correas, etc..sEstá formado por un poliéster y un derivado del benzol.Se emplea también como pegamento de metales y como barniz de gran dureza.

En la siguiente entrega, expondré lo relativo a los termoplásticos.






14. Clasificación de los Materiales (PolímerosIII)

Continuando con el extenso tema de los materiales poliméricos, ahoraconoceremos a los miembros de la familia de los termoplásticos.

Plásticos termoplásticos: El calor les da plasticidad y fluidez, así se puedeninyectar a presión en un molde determinado, adoptando la forma del hueco delmolde, se pueden laminar, etc., pero endurecen tan pronto como se enfríen. Lostermoplásticos se pueden remoldear, por consiguiente pueden aprovecharse laspiezas defectuosas, los recortes, etc.

Haciendo una analogía, se podrían comparar con la cera, que se endurece con elfrío y cuyo endurecimiento no es definitivo, pues con el calor se reblandece ypuede ser nuevamente moldeada.

- Cloruro de polivinilo

Cuyos elementos ase con el acetileno y el pacido clorhídrico, no tiene olor y esinsípido, siendo sus características:

- Peso específico............................................. 1.35 a 1.55 Kg. / dm3- Resistencia Tracción..................................

- Compresión..................................................

2 a 6 Kg. / mm2

7 a 9 Kg. / mm2-Color............................................................. todos los colores

- Combustibilidad........................................... arde con gran dificultad,autoextinguible

- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco- Envejecimiento Oscurece- Temperatura que soporta.............................. 60 ° C a 91 ° C-Nombres comerciales................................... Vinilite, Vinidur, Nipolan...

Empleo: Se utiliza como material duro para carcasas de bombas, válvulasanticorrosivas, tuberías diversas, piezas diversas, resistentes a los productosquímicos. En estado blando encuentra otra serie de aplicaciones: mangueras,cuero artificial, impermeables, etc.

- Poliestireno

Se obtiene del poliestirol, derivado del petróleo y del benzol, siendosus características:


Compresión............................

2.8 a 7 Kg. / mm2

7 a 11 Kg. / mm2






- Color............................................................. cualquier color- Combustibilidad........................................... arde lentamente- Permeabilidad a la luz................................. transparente a opaco- Envejecimiento Oscurece- Temperatura que soporta.............................. 85° C- Nombres comerciales................................... Lustron, Polistirol, Diplene...

Empleo: Para fabricar planchas, películas y espumas, en piecería se utiliza paraobjetos de oficina, bolígrafos, plantillas, escuadras y cartabones.

- Poliamidas

Derivan del carbón, no tiene olor ni sabor alguno y posee característicasmecánicas muy notables, entre las que destaca su resistencia al desgaste y sufacilidad de mecanizado. Sus características físicas son:


Compresión............................

4.9 a 7.7 Kg. / mm2

4.9 a 9.2 Kg. / mm2- Color............................................................. blanco, lechoso o coloreado- Combustibilidad........................................... autoextinguible- Permeabilidad a la luz.................................. translúcido a opaco- Envejecimiento decolora ligeramente- Temperatura que soporta.............................. 100 ° C 200 ° C-Nombres comerciales................................... Nylón y Perlón...

Empleo: Construcción de carcasas, cuerpos de bomba, ventiladores, racords deunión, tapas de instrumentos eléctricos.

- Polietilenos

Derivados directos del petróleo. Su aspecto y tacto son cerosos, tiene buenaresistencia a los ácidos y es buen aislante eléctrico. Las característicasprincipales de los polietilenos duros son:


Compresión............................

2 a 4.5 Kg. / mm2

no aplicable-Color............................................................. cualquier color

- Combustibilidad........................................... muy lenta- Permeabilidad a la luz.................................. translúcido a opaco

- Envejecimiento vuelve quebradizo, exceptonegro y marrón

- Temperatura que soporta.............................. 70 ° C






-Nombres comerciales................................... Polytheno, Dylan, Hostalen.

Empleo: Grifería, válvulas y accesorios para conducciones de ácidos, cubos,bidones, ruedas dentadas, mangos de herramientas, etc.

- Polimetacrilatos

Se obtienen partiendo del acetileno, se caracteriza por su extraordinariatransparencia , sus características físicas más importantes son:


Compresión............................

5.6 a 7.5 Kg. / mm2

7.7 a 12 Kg. / mm2- Color............................................................. ilimitado- Combustibilidad........................................... arde rápidamente- Permeabilidad a la luz.................................. transparente- Envejecimiento amarillea muy ligeramente- Temperatura que soporta.............................. 80 ° C-Nombres comerciales................................... Plexiglás, Perspex, Lucita...

Empleo: Placas transparentes para acristalado de carrocerías, cristales de faros,de relojes, ojos de buey.

- Poli-tetrafluoretileno

Es un derivado sintético del acetileno, su principal particularidad es su resistenciaa la temperatura y a los ácidos, aspecto en que sólo es comparable con el vidrio,algunas de sus características físicas son:


Compresión............................

1 a 3.5 Kg. / mm2

1.2 Kg. / mm2-Color............................................................. oscuros

- Permeabilidad a la luz.................................. oscuros- Envejecimiento ninguno- Temperatura que soporta.............................. 150 ° C a 250 ° C

-Nombres comerciales................................... Teflón, Fluón, Hostaflón,Algoflón...

Empleo: Casquillos sin lubricación, cajas y juntas para bombas, válvulas ygrifería, aislamiento de cables eléctricos, etc.

En nuestro siguiente capítulo daremos por terminado el tema de los polímeros,estudiando lo referente a los elastómeros.






15. Clasificación de los Materiales. (PolímerosIV)

Ahora, la breve información sobre la última familia de polímeros: los elastómeros.

Elastómeros: Tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurrauna ligera transformación de enlaces cruzados entre las cadenas moleculares.Los elastómeros son capaces de deformarse elásticamente en grandesmagnitudes sin cambiar de forma permanentemente.

Los elastómeros típicos son polímeros amorfos, no cristalizan fácilmente. Tienenuna baja temperatura de transición vítrea y las cadenas se pueden deformarelásticamente con facilidad al aplicar una fuerza.

Elastómeros termoplásticos, no se basan en los enlaces cruzados para producirgran cantidad de deformación elástica. Se comportan como termoplásticos atemperaturas elevadas y como elastómeros a temperaturas bajas. Estecomportamiento permite que se puedan reciclar con mayor facilidad que loselastómeros convencionales.

Adhesivos: Son polímeros que se utilizan para unir otros polímeros, metales,materiales cerámicos, compuestos o combinaciones de todos los anteriores. Losadhesivos se utilizan para una diversidad de aplicaciones.

Se pueden clasificar en :

*Químicamente reactivos: Hay sistemas de un solo componente, formados poruna sola resina polimérica, que se cura por exposición a algún factor: humedad,calor o ausencia de oxígeno. Los sistemas de dos componentes se curan alcombinarse dos resinas.

*Por evaporación o por difusión: El adhesivo se disuelve y se aplica a lassuperficies a unir. Al evaporarse el portador, el polímero restante proporciona launión. Los adhesivos a base de agua son preferidos tanto por la seguridad querepresentan como desde un punto de vista ecológico. El polímero puede estartotalmente disuelto en agua, o puede estar formado de látex, es decir, como unadispersión estable del polímero en el agua.

*De fusión por calor: Son polímeros termoplásticos y elastómeros termoplásticosque funden al calentarse. Al enfriarse, el polímero se solidifica, uniendo laspartes. Sus temperaturas de fusión típicas son de aproximadamente 80 a 110 °C, lo que limita su uso a temperaturas elevadas.

*Sensibles a la presión: Son principalmente elastómeros o copolímeros deelastómero que se producen en forma de película o recubrimiento. Requierenpresión para adherirse al sustrato y se utilizan para producir cintas aislanteseléctricas y de empaque, etiquetas, losetas de piso, recubrimientos para muros ypelículas texturizadas imitación madera.

*Conductores: Son polímeros a los que se agrega un material de relleno queproporcione conductividad eléctrica y térmica, como partículas de plata, cobre oaluminio. Cuando se desea conductividad eléctrica pero no térmica o viceversa,se puede usar polvo de alúmina, berilia, nitruro de boro o sílice. Además, es






se puede usar polvo de alúmina, berilia, nitruro de boro o sílice. Además, esposible crear polímeros que tengan buena conductividad: agregando compuestosiónicos que reducen la resistividad; disipando la carga estática al usar un rellenode material conductor; o con matrices poliméricas que contengan fibras decarbono o carbono recubierto de níquel, lo que combina rigidez con conductividadmejorada. Algunos polímeros tienen buena conductividad inherente, comoresultado de diversas técnicas de dopado (que consiste en agregar de maneraintencional un pequeño número de átomos de impureza en el material) o deproceso.

Con este capítulo corto, finalizamos el estudio de las generalidades de lospolímeros. En nuestra próxima entrega comenzaremos a analizar locorrespondiente a los materiales semiconductores.






16. Clasificación de los Materiales.(Semiconductores)

El silicio y el germanio son los únicos elementos que tienen aplicacionesprácticas como semiconductores. Sin embargo, gran variedad de compuestoscerámicos e intermetálicos presentan este mismo efecto.

Para facilitar su estudio, los derivados del silicio y el germanio se dividen ensemiconductores intrínsecos y extrínsecos.

Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por que su brecha de energía Egentre las bandas de valencia y conducción es pequeña, y en consecuencia,algunos electrones poseen suficiente energía térmica como para saltar la brecha,entrando en la banda de conducción. Los electrones excitados dejan atrás nivelesde energía desocupados, o huecos, en la banda de valencia. Cuando un electrónse mueve para llenar un hueco, se crea otro en la fuente original de estesegundo electrón, de forma que los espacios vacío parecen actuar como"electrones" de carga positiva y portadores de carga eléctrica.. Cuando se aplicaun voltaje eléctrico al material, los electrones de la banda de conducción seaceleran hacia la terminal positiva., en tanto que los huecos de la banda devalencia se mueven hacia a terminal negativa., Por lo tanto se conduce lacorriente mediante el movimiento de electrones y de huecos.

La conductividad queda determinada por el número de pares electrón hueco.

s = neqm e + nhqm h

donde ne es el número de electrones en la banda de conducción, nh es elnúmero de huecos en la banda de valencia y m e y m h son las movilidades deelectrones y de huecos. En el caso de los conductores intrínsecos:

n = ne = nh

Por tanto, la conductividad es:

s = neq(m e + m h )

Al controlar la temperatura, se controla el número de portadores de carga por lomismo, la conductividad eléctrica. En el cero absoluto, todos los electrones estánen la banda de valencia, así que todos los niveles de la banda de conducción sehallan desocupados.

Conforme aumenta la temperatura, hay mayores probabilidades de que se ocupeun nivel de energía en la banda de conducción, de forma que existen idénticasprobabilidades de que se desocupe un nivel en la banda de valencia. El númerode electrones en la banda de conducción, que es igual al número de huecos en labanda de valencia, está dado por:

n = ne = nh = no exp -(Eg/2kT)

donde no se puede considerar como constante, aunque de hecho tambiéndepende de la temperatura. Temperaturas más elevadas permiten que más






electrones crucen la zona prohibida y, por tanto se incrementa la conductividad:

s = neq(m e + m h ) exp - (Eg/2kT)

El comportamiento del semiconductor es opuesto al de los metales, ya queconforme aumenta la temperatura se incrementa la conductividad, por que estánpresentes más portadores de carga., en tanto que en el metal la conductividad sereduce, debido a la menor movilidad de sus portadores de carga.

Si se retira la fuente de energía o voltaje de excitación, se vuelven a combinarlos huecos y los electrones después de cierto periodo de tiempo. El número deelectrones en la banda de conducción se reduce con una rapidez dada por:

n = no exp - (t/t)

donde t es el tiempo después de haber eliminado el campo, no es una constantey t es una constante conocida como tiempo de recombinación.

En vista de que pequeñas variaciones de temperatura pueden afectar elcomportamiento de un semiconductor intrínseco, se puede agregar una pequeñacantidad de impurezas (dopado), para producir un semiconductor extrínseco. Laconductividad de este semiconductor dependerá principalmente del número deátomos de impureza (dopantes), y en un rango especifico de temperatura inclusoser independiente de esta.

- Semiconductores tipo n. Supongamos que agregamos un átomo de antimoniocomo impureza al silicio o al germanio. Cuatro de los electrones de valencia delátomo de antimonio participan en el proceso de enlaces covalentes, en tanto queun electrón adicional entra en un nivel de energía en estado de donación., justopor debajo de la banda de conducción. Dado que este electrón no estafuertemente unido a los átomos, solamente requiere un pequeño aumento deenergía Ed para que el electrón pase a la banda de conducción. (Ed a menudo sedefine como la diferencia de energía entre la parte superior de la banda devalencia y la banda de donadores. En este caso, el incremento de energíarequerido seríaEg - Ed × ). La brecha de energía que controla la conductividadpasa a ser Ed en vez de Eg. Cuando los electrones de donación entran en labanda de conducción, no se crean huecos correspondientes a cada uno de ellos.

Una pequeña cantidad de semiconducción intrínseca sigue ocurriendo, conalgunos electrones que adquirieron la energía suficiente como para saltar elespacio Eg. El número total de portadores de carga es :

ntotal = ne(dopante) + ne(intrínseca) + nh(intrínseca)

Conforme aumenta la temperatura, más electrones de donación saltan elespacio Ed hasta que, finalmente todos los electrones de donación están en labanda de conducción. Esto significa un agotamiento de donadores. Laconductividad es casi constante; no hay disponibles más electrones de donación yla temperatura sigue siendo demasiado baja para producir muchos electrones yhuecos intrínsecos, sobre todo si Eg es grande.

- Semiconductores tipo p Cuando a un semiconductor se le agrega una impurezacomo el galio, que tiene una valencia de tres, no existen suficientes electronespara completar el enlace covalente. Entonces se crea un hueco en la banda devalencia, que puede llenarse con electrones de otras posiciones de la banda. Loshueco actúan como aceptantes de electrones. Este sitio con huecos tiene una






energía algo mayor que la normal y crea un nivel aceptante de energía deelectrones, justo por encima de la banda de valencia. Un electrón debe ganar unnivel de energía de solo Ea a fin de crear un hueco en la banda de valencia. Elhueco se mueve portando la carga. Finalmente la temperatura subirá losuficiente como para causar la saturación de aceptantes.

Los compuestos semiconductores (no derivados del silicio o el germanio),pueden ser:

- Semiconductores estequiométricos, que son por lo general compuestosintermetálicos, que tienes estructuras cristalinas y de banda semejantes a las delsilicio y el germanio.

- Semiconductores Imperfectos o no estequiométricos son compuestos iónicosque contienen exceso de iones, sean estos negativos (aniones) produciendo unsemiconductor tipo p; o positivos (cationes) obteniendo un tipo n

Comportamiento óptico.

En los semiconductores, la brecha de energía es menor que la de los aislantes,particularmente en los semiconductores extrínsecos, que contienen nivelesdonantes y aceptantes de energía. En los semiconductores intrínsecos, habráabsorción si la energía del fotón excede la brecha Eg; mientras que los fotones demenor potencia serán transmitidos. Así, los semiconductores son opacos aradiaciones de longitudes de onda corta, pero transparentes a longitudes de ondalarga. Por ejemplo, el silicio y el germanio aparecen opacos a la luz visible para elojo humano, pero son transparentes a radiaciones infrarrojas de longitudes deonda mayores.

Un fenómeno característico de los semiconductores es la fotoconducción, queocurre si el material es parte de un circuito eléctrico. En este caso, los electronesestimulados producen una corriente en vez de una emisión. Si la energía de unfotón incidente es suficiente, se excitará un electrón y pasar` a la banda deconducción, o se creará un hueco en la banda de valencia, y el electrón o elhueco transportarán una carga a través del circuito. La longitud de onda máximadel fotón incidente requerido para que exista fotoconducción está relacionada conla brecha de energía del material semiconductor.

l máx = (hc)/Eg

Podemos decir que la fotoconducción es lo inverso a la luminiscencia y a los LED,por que aquí, los fotones producen un voltaje y una corriente, en tanto que enun LED el voltaje produce fotones y luz.






17. Clasificación de los Materiales. (Compuestos)

Para finalizar, trataremos brevemente las características generales de losmateriales compuestos.

Este tipo de materiales se definen básicamente como la unión de dos materialespara conseguir una combinación de propiedades que no es posible obtener en losmateriales originales de forma individual. Se clasifican es tres categoríasgenerales:

- Particulados. Dentro de estos podemos distinguir dos tipos; los dispersoides,que son materiales endurecidos por dispersión y contienen partículas de 10 a 250nm de diámetro, que aunque no sean coherentes con la matriz, bloquean elmovimiento en las dislocaciones y producen un marcado endurecimiento delmaterial matriz; y los "verdaderos" que contienen grandes cantidades departículas gruesas, que no bloquean el deslizamiento con eficacia, son diseñadospara obtener propiedades poco usuales, despreciando la resistencia en elmaterial. Ciertas propiedades de un compuesto particulado dependen sólo de susconstituyentes, de forma que se pueden predecir con exactitud mediante lallamada regla de la mezclas, que es la sumatoria de las propiedades (densidad,dureza, índice de refracción, etc.) por la fracción volumétrica del constituyente.

- Reforzados con fibras. Por lo general, este tipo de compuestos consiguenmayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relaciónresistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, enuna matriz más blanda y dúctil. El material matriz transmite al fuerza a lasfibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia delcompuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturaselevadas. De forma semejante a los compuestos particulados, al regla de lasmezclas predice algunas de sus propiedades.

- Laminares. Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras,revestimientos metálicos, bimetálicos, laminados y todo un conjunto demateriales con aplicaciones específicas. Algunos compuestos reforzados confibras, producidos a partir de cintas o tejidos pueden considerarse parcialmentelaminares. Gran cantidad de compuestos laminares están diseñados para mejorarla resistencia a la corrosión conservando un b ajo costo, alta resistencia o bajopeso. Otras características de importancia incluyen resistencia superior aldesgaste o a la abrasión, mejor apariencia estética y algunas características deexpansión térmica poco usuales. Con la regla de las mezclas se pueden estimaralgunas de las propiedades, paralelas a la laminillas de los materialescompuestos laminares. También se pueden calcular con poco margen de error: ladensidad y la conductividad eléctrica y térmica.

Este es el último capítulo de nuestro curso. Espero que toda esta información tehaya sido de utilidad. Si aún tienes dudas, puedes contactarme a mi correoelectrónico.






ciencia de los materiales

Documents

Transcript of ciencia de los materiales