UNIVERSIDAD RURAL DE GUETEMALA

CIENCIA DE LOS MATERIALES

5TO SEMESTRE

INGENIERIA INDUSTRIAL

TEXTO PARALELO

GESSLER OMAR SOTO MARROQUIN

13-053-0061

GUATEMALA 13-03-2015

CIENCIAS DE LOS MATERIALES

LOS MATERIALES

Los principales materiales usados en la fabricación y construcción de elementos estructurales y de máquinas incluyen los metales y las aleaciones, el concreto de cemento Pórtland, las mezclas bituminosas, los productos de barro, los materiales de mampostería, y losplásticos. La función principal de los materiales de ingeniería consiste en desarrollar resistencia, rigidez y durabilidad ecuadas al servicio para el cual fueron concebidos. Estos requisitos definen en gran parte las propiedades que los materiales deben poseer un aspecto distinto de los materiales de ingeniería auxiliare, tales como los revestimientos preservativos, y quizás de la mayoría de los materiales de uso específico es el requisito de algunas cualidades o propiedades particulares cuya determinación frecuentemente se realiza mediante ensayos especiales y sumamente arbitrarios.

Todos tenemos que ver con materiales en manufactura en procesos y

en diseño y contruccion de componentes y estructuras porque se

deben seleccionar y utilizar materiales adecuados.

Debe tomarse decisiones importante al seleccionar los materiales al

incorporar en un diseño incluyendo si estos pueden ser transformados

de manera constante en un producto

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

La dureza, usualmente indicada por la resistencia a la penetración o la abrasión en la superficie de un material, puede considerarse como un tipo o una medida particular de la resistencia. La rigidez tiene que ver con la magnitud de la de formación que ocurre bajo la carga; dentro del rango del comportamiento elástico, la rigidez se mide por el módulo de elasticidad. La elasticidad se refiere a la capacidad de un material de deformarse no permanentemente al retirar el esfuerzo. El término plasticidad se usa para indicar la capacidad de deformación en el rango elástico o plástico sin que ocurra ruptura. La capacidad de un material para absorber energía elástica depende de la resistencia y la rigidez; por ejemplo,la capacidad energética en el rango de acción elástica se denomina resiliencia; la energía requerida para romper un material se denomina tenacidad.

TIPOS DE MATERIALES

1. Metales

2. Cerámicos

3. Polímeros

4. Semiconductores

5. Materiales compuestos

METALES

Incluye todos los metales y sus alisiones tienen una buena

conductividad eléctrica y térmica, una resistencia alta y alta rigidez y

resistencia al impacto. Son utiles en capacidad estructural y de carga,

aunque en ocasiones se usan metales puros. Las combinaciones

conocidas como alisiones proporcionan mejoras en algunas

propiedades.

CERAMICOS

Son los matiriales como ladrillo, vidrio. Porcelana, que tienen poca

conductividad eléctrica y térmica y son utilizados como aislantes. Los

cerámicos son fuetes y duros y a la vez frágiles y quebradizos

POLIMEROS

Son producidos mediante polimerización, creación de estructuras

moleculares a partir de moléculas organicas. Tienen poca

conductividad eléctrica y térmica. No son adecuados para utilizar en

temperaturas altas. Dentro de los polímeros se encuentra el hule

plásticos y otros adhesivos.

SEMICONDUCTORES

La conductividad eléctrica de estos materiales se puede controlar

sobre todo para uso en dispositivos eléctricos como transistores y

circuitos integrados.

MATERIALES COMPUESTOS

Se forman a partir de dos o mas materiales produciendo propiedades

diferentes y que no se encuentran en ellos de forma individual.

RELACION ENTRE LA ESTRUCTURA PROPIEDADES Y

PROCESAMIENTOS

PROPIEDADES

Podemos considerar las propiedades de un material en dos categorías

MECANICAS Y FISICAS

PROPIEDADES MECANICAS

Describen la forma en que el material responde a una fuerza aplicada

incluye resistencia rigidez y conductividad asi como lo deformación

que puede sufrir.

PROPIEDADES FISICAS

Incluye el comportamiento eléctrico magnetico óptico térmico elástico y

químico que dependen tanto de la estructura como del procesamiento

del material.

EFECTOS AMBIENTALES SOBRE EL COMPROTAMIENTO DE LOS

MATERIALES

TEMPERATURA

Los cambios de temperatura alteran las propiedades de los materiales

de manera notable.

CORROSION

Los metales y los polímeros reaccionan ante el oxigeno y otros gases.

Sin embargo existen líquidos corrosivos que pueden atacar a los

materiales

EL ATOMO

Estructura atómica

Partículas subatómicas

A pesar de que átomo significa „indivisible‟, en realidad está formado por varias partículas subatómicas. El átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-1, que no contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón, que no contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico.

El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo, con una masa de 9,11 · 10−31 kg. Tiene una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. Los protones tienen una masa de 1,67 · 10−27 kg, 1836 veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa de 1,69 · 10−27 kg, 1839 veces la del electrón, y no poseen carga eléctrica. Las masas de ambos nucleones son ligeramente inferiores dentro del núcleo, debido a la energía potencial del mismo; y sus tamaños son similares, con un radio del orden de 8 · 10−16 m o 0,8 femtómetros

El núcleo atómico

Los protones y neutrones de un átomo se encuentran ligados en el núcleo atómico, la parte central del mismo. El volumen del núcleo es aproximadamente proporcional al número total de nucleones, el número másico A,5 lo cual es mucho menor que el tamaño del átomo, cuyo radio es del orden de 105 fm o 1 ångström (Å). Los nucleones se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones.6

Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, que se denomina número atómico y se representa por Z. Los átomos de un elemento dado pueden tener distinto número de neutrones: se dice entonces que son isótopos. Ambos números conjuntamente determinan el núclido.

Nube de electrones

Los electrones en el átomo son atraídos por los protones a través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza los atrapa en un pozo de potencial electrostático alrededor del núcleo, lo que hace necesaria una fuente de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía necesaria para que escape.

Los electrones, como otras partículas, presentan simultáneamente propiedades de partícula puntual y de onda, y tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo, en reposo respecto de este. Cada una de estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una función matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. La nube de electrones es la región ocupada por estas ondas, visualizada como una densidad de carga negativa alrededor del núcleo.

Cada orbital corresponde a un posible valor de energía para los electrones, que se reparten entre ellos. El principio de exclusión de Pauli prohíbe que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital. Pueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de energía: si un electrón absorbe un fotón con energía suficiente, puede saltar a un nivel superior; también desde un nivel más alto puede acabar en un nivel inferior, radiando el resto de la energía en un fotón. Las energías dadas por las diferencias entre los valores de estos niveles son las que se observan en las líneas espectrales del átomo.

ENLACES ATOMICOS

Enlace iónico

El enlace iónico (o enlazamiento iónico) es el resultado de trasferencia de electrones (o paso de electrones) de un átomo a otro. El enlace iónico se forma entre un átomo electropositivo y uno electronegativo. El átomo electropositivo cede sus electrones y el átomo electronegativo los acepta. Como resultado de este proceso se forman iones positivos (con valencia +n1) y negativos (con valencia - n2) con configuraciones de capa cerrada. En estas condiciones, los iones con cargas +n1 y - n2 experimentan atracción mutua. La fuerza de repulsión se manifiesta cuando las configuraciones electrónicas de capa cerrada iónica comienzan a traslaparse.

Enlace covalente

El enlace iónico no es direccional. En oposición al el enlace covalente que es una naturaleza altamente direccional. El nombre “covalente” se deriva de la distribución compartida, cooperativa, de electrones de valencia entre dos átomos adyacentes. Una particularidad importante de estos enlaces es que se pueden formar entre átomos del mismo tipo, entre los cuales puede haber muy poca o ninguna formación de enlaces iónicos, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica, generalmente se comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que alcanza la configuración electrónica de gas noble. En un enlace covalente sencillo, cada uno de los dos átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones del enlace, y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas estables) como consecuencia de la interacción de los electrones. En el enlace covalente, se pueden formar múltiples pares de electrones por un átomo consigo mismo o con otros átomos. En los enlaces covalentes puros los electrones de un átomo comparten los estados cuánticos disponibles y son compartidos entre los núcleos para formar una configuración de capa cerrada.

Enlace Metálico

Un tercer tipo de enlace atómico es el enlace metálico, que se presenta en los metales sólidos. En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos es una ordenación sistemática o estructura cristalina.

El enlace metálico es consecuencia de la facilidad de disociación de los metales en iones positivos y electrones libres. Hay muchos estados cuánticos disponibles en los metales, todos los cuales no pueden ser ocupados por electrones cuando los átomos se acercan unos a otros. Por consiguiente, los metales tienen enlazamiento no saturado y se componen de un gran número de átomos (una macromolécula). Los electrones liberados se desplazan con facilidad de los orbítales de un átomo a los del otro y ya no esta confinados a un par de átomos; elementalmente, son como un “fluido”. Es por esto que, por lo común, se representa a los metales como un gran agregado de centros iónicos positivos inmersos en una “nube” o “mar” de electrones como en la figura 5. Esta es la clásica y simple “teoría de los electrones libres de los metales”, para distinguir los metales de los no metales, explica las conductividades eléctricas y térmicas extraordinariamente buenas de los metales, también explica la opacidad óptica y la reflectividad. La oscilación de los electrones libre absorbe la energía de la luz incidente en todas las longitudes de onda, y por tanto, hace que el metal sea opaco. Por otra parte, los electrones oscilantes también emiten ondas luminosas (fotones) y confieren reflectividad al metal.

Imperfecciones en los Arreglos Atómicos Defectos puntuales Son interrupciones localizadas en arreglos atómicos y iónicos que, si no fuera por ellos, sería en perfectos en una estructura cristalina. se pueden introducir por el movimiento de los átomos o los iones al aumentar la energía por calentamiento, durante el procesamiento del material por introducción de impurezas o dopado. Impurezas Son elementos o compuestos presentes en las materias primas o en el procesamiento. Dopantes Son elementos o compuestos que se agregan en forma deliberada y en concentraciones conocidas, en lugares específicas de la micro estructura buscando un efecto benéfico sobre las propiedades y el procesamiento. En general el efecto de las impurezas en las propiedades de los materiales es nocivo mientras que el de los dopantes es útil. Defectos extendidos Defectos en los que toman parte varios átomos o iones y que, por consiguiente se presentan en un volumen finito del material cristalino. Vacancias Se produce cuando falta un átomo o un ión en su sitio normal de la estructura cristalina. Esto aumenta el desorden normal o entropía del material, lo cual aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino. Todos los materiales cristalinos tienen un defecto de vacancia. Se introducen a los metales y aleaciones durante la solidificación, a temperaturas elevadas o como consecuencia de daños por radiación. Las vacancias desempeñan un papel importante en la determinación de la rapidez con que se pueden mover los átomos o los iones en un metal sólido. A la temperatura ambiente (298K), la concentración de vacancias es pequeña, pero aumenta en forma exponencial al aumentar la temperatura con el siguiente comportamiento: nv=exp(-Qv/RT)

Donde: nv es la cantidad de vacancias por cm^3; n es la cantidad de átomos por cm^3; Qv es la energía necesaria para producir un mol de vancancias, en cal/mol o en joule/mol; R es la constante de los gases: 1,987 cal/(mol-K) u 8.31joules/(mol-K) T es la temperatura, en grados K. Defectos intersticiales Se forma cuando se inserta un átomo o ión adicional en la estructura cristalina en una posición normalmente desocupada. Defecto sustitucional o Defecto puntual intersticial Se crea cuando un átomo idéntico a los puntos normales de red están en psición intersticial. Es probable encontrar este defecto en estructuras cristalinas con bajo factor de empaquetamiento. Defecto de Frenkel o Par de Frenkel es un par vacancia - intersticialidad que se forma cuando un ión salta de un punto normal de red a un sitio intersticial y deja atrás una vacancia. Este defecto se presenta tanto en materiales iónicos como covalentes. Defecto de Schottky Es exclusivo de los materiales iónicos, y suele encontrarse en muchos materiales cerámicos. En este defecto, las vacancias se presentan en un material con enlaces iónicos; donde debe faltar un número estequimétrico de aniones y cationes en cristal si se quiere conservar en el la neautralidad eléctrica.