Estructura, Arreglos Y Movimiento De Los átomos.

Unidad 1: Estructura, arreglos y movimiento de los átomos.

1.1 Importancia y clasificación de los materiales en ingeniería.

¿Qué es la Ciencia e Ingeniería de los Materiales?

Es un campo interdisciplinario que se ocupa de inventar nuevos materiales y mejorar los ya conocidos, mediante el desarrollo de un conocimiento más profundo de las relaciones entre microestructuras, composición, síntesis y procesamiento.

En la ciencia de materiales se subrayan las relaciones subyacentes entre a síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales. En la ingeniería de materiales el enfoque es hacia como convertir o transformar los materiales en dispositivos o estructuras útiles.

Existen cuatro principios fundamentales que guían el estudio de la ciencia e ingeniería de los materiales:

 Los principios que regulan el comportamiento de los materiales están cimentados en la ciencia y son comprensibles

 Las propiedades de un material específico están determinadas por su estructura. El procesamiento puede alterar esa estructura en formas específicas y predecibles.

 Las propiedades de todos los materiales cambian a través del tiempo con el uso con la exposición a las condiciones ambientales

 Cuando se selecciona un material para una aplicación específica, se deben efectuar las pruebas suficientes y adecuadas para asegurar que el material se conserva idóneo para la aplicación correspondiente la vida razonable del producto.

Metales y aleaciones.

Los metales es un grupo muy importante de materiales, existen metales muy diferentes que comparten muchas cosas comunes. Son materia inerte de origen natural, se reconocen por su brillo metálico. Son opacos. Los metales son sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio que es líquido a temperatura ambiente. Hay metales puros que son elementos químicos. Los metales se pueden combinar unos con otros (aleación). Son bastantes resistentes. Los metales son electropositivos que dan electrones a otros elementos mediante enlaces químicos.

Metales puros

Rara vez pueden obtenerse directamente de la natura¬leza, para aislarlos a partir de los minerales que los contie¬nen, se necesitan procesos de transformación complejos. Propiedades: • Tienen una gran dureza. • Se pueden trabajar mediante procesos de fundición. • Son buenos conductores del calor y de la electricidad. • Su resistencia mecánica permite utilizarlos en aplicaciones estructura¬ les sometidas a grandes esfuerzos. • Se pueden reciclar con facilidad, destacan el cobre, el hierro, e aluminio, el oro y la plata.

Aleaciones

Una aleación es una combinación de varios metales, en la que también pue¬ den participar pequeñas cantidades de algunos elementos no metálicos. Se elaboran para mejorar las propiedades de los componentes originales. Se suelen clasificar en: •aleaciones férreas. La principal es el acero, obtenido al añadir al hierro un porcentaje de carbono siempre inferior al 2 %. Casi el 90 % de los aceros usados en industria son aceros al carbono. Los más resistentes se utilizan para la fabricación de piezas sometidas a esfuerzos constantes. En los aceros aleados intervienen otros elementos como el acero inoxidable, que incorpora cromo. •aleaciones no férreas, destacan las del cobre y la del aluminio. • Bronce: Es una aleación de cobre con estaño, con una proporción de este último inferior al 20 %. se utiliza para elemen¬tos decorativos, esculturas y fabricación de elementos. • Latón: Se forma con cobre y zinc, mezcla que confiere a la aleación mayor dureza y ductilidad que el cobre puro y es muy dúctil en frio. •duraluminio: se incluyen las aleaciones de aluminio con otros metales, lo que ayuda a que se corrija la falta de dureza y de resistencia del aluminio.

Cerámicos

En contraste con los cerámicos tradicionales que se basan principalmente en la arcilla los cerámicos técnicos o de ingeniería están constituidos principalmente por compuestos puros o casi puros; principalmente óxidos carburos o nitraros, algunos de los cerámicos más importantes de la ingeniería son alúmina, nitruro de sillico, carburo de silicio y zirconita, combinados con algunos otros óxidos refractarios. a continuación se ofrece una breve descripción de algunas propiedades, procesos y aplicaciones de varios materiales cerámicos importantes.

Alúmina: la alúmina se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza de ulitilizcion a elevadas temperaturas; pero ahora tiene aplicaciones mucho más variadas, ejemplo: de la alúmina es en materiales aislantes de las bujías.

Nitruro de silicio: los materiales cerámicos con nitruro tienen combinaciones útiles y de propiedades mecánicas ingenieriles como resistencia al impacto y propiedades refractarias. Se han desarrollado cuatro procesos principales para el nitruro de silicio: proceso por reacciones de unión RBSN, proceso de compactación en caliente de nitruro de silicio HPSN, proceso de nitruro de silicón sinterizado SSN y proceso de nitruro de silicón de compactación isostática en caliente HIP-SN.

Carburo de silicio. Los ceramios de altas prestaciones del tipo carburo de silicio tiene propiedades muy importantes, ya que su dureza es alta dureza, son inertes químicamente, tiene buena resistencia a la abrasión y a la oxidación a altas temperaturas.

Para hacer carburo de silicio sinterizado por reacción se infiltra en polvo compacto de SiC y carbono con silicio fundido que reacciona con el carbono para formar SiC uniendo los granos origínelas del SiC.

Polimeros

Los polímeros forman parte de una gran gamma de materiales poliméricos que son formados por moléculas extremadamente grandes.

Debido a las propiedades únicas que estos materiales presentan, han desplazado y sustituido de manera creciente a componentes metálicos en diversas aplicaciones. Las principales propiedades que presentan los polímeros son: resistencia a la corrosión de los productos químicos, baja conductividad eléctrica y térmica, baja densidad o bajo peso, alta relación resistencia a peso particularmente cuando son reforzados con fibras como la fibra de vidrio, reducción del ruido, apariencia agradable de colores y transparencias, bajo costo y facilidad de manufactura. Pero el principal aspecto de la sustitución por los metales es debido a que los materiales poliméricos resisten más a la corrosión aunada al bajo peso.

Tipos de polímeros

Los polímeros se clasifican de varias formas: según la manera en que las moléculas son sintetizadas, en función de su estructura molecular, por su familia química, por el tipo de aplicación, etc. Sin embargo, el método más usado para describir los polímeros es en función de su comportamiento mecánico y térmico, que está en repercusión de la estructura molecular.

Los polímeros termoplásticos se componen de largas cadenas producidas al unir moléculas pequeñas o monómeras y típicamente se comportan de una manera plástica y dúctil (capacidad de hacerse en hilos). Al ser calentados a temperaturas elevadas, estos polímeros se ablandan y se conforman por flujo viscoso, también estos polímeros se pueden reciclar con facilidad, ya que no existen enlaces cruzados en su estructura. La mayoría de plásticos que usamos a diario y que tienen relación con contenedores de comida, caen dentro de esta categoría.

Los polímeros termoestables están compuestos por largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados entre las cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales. Estos polímeros generalmente son más resistentes, aunque más frágiles, que los termoplásticos. Los termoestables no tienen una temperatura de fusión fija y es difícil reprocesarlos una vez ocurrida la formación de enlaces cruzados, esto es que una vez fundidos ya no es posible volverlos a fundir, ya que estos tienden a quemarse y degradarse.

Ejemplos de este tipo de plásticos son los contactos de nuestra casa, partes que deban soportar altas temperaturas dentro de componentes eléctricos y electrónicos, engranes en autos, tarimas plásticas, etc.

Los elastómeros, incluyendo el caucho, tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces cruzados entre las cadenas. Los elastómeros tienen la capacidad de deformarse elásticamente en gran proporción sin cambiar de forma permanentemente.

Ejemplos de elastómeros son las ligas, llantas, esponjas, en si todo material que se pueda estirarse y lograr regresar a su estado normal sin deformarse.

La clasificación de acuerdo a su aplicación, corre a cargo de la Society of the Plastics Industry en USA, la cual se dio a la tarea de diseñar un esquema que marca los contenedores plásticos de acuerdo a un número, esto con fines de poder separarlos para facilitar a través del reciclaje. Los contenedores plásticos usando este esquema, son marcados con tres flechas en forma de triángulo los cuales encierran un número que corresponde a un tipo de plástico en específico, mediante la tabla siguiente.

Semiconductores

Los semiconductores base silicio, germanio, arseniuro de galio como los que se usan en las computadoras y en electrónica son parte de una clase más amplia, la de los materiales electrónicos. La conductividad eléctrica de los materiales semiconductores es intermedia entre la de los aisladores cerámicos y los conductores metálicos. En algunos de ellos se puede controlar el valor de la conductividad, lo que permite usarlos en dispositivos electrónicos como transistores, diodos y circuitos integrados. En muchas aplicaciones

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