Propiedades de los materiales Unidad 2

Instituto Tecnológico del Estado de Chihuahua

Propiedades de los materiales

Unidad 2

Maestro: ANZALDUA MORALES FERNANDO JOSE

Alumno: Karen Moya Chavarrìa

Matricula: 16061086

Hora de clase: 3:00 a 4:00 P.M.

[pic 1]

Estructura Cristalina

Los nudos de las distintas celdillas, señalados por bolitas negras en las figuras de las redes de Bravais, son todos equivalentes y no están ocupados necesariamente por un único átomo. En determinados materiales cada nudo puede tener asociado una molécula, un grupo de átomos, o incluso, un grupo de moléculas. Esto es particularmente frecuente en el caso de materiales cerámicos y poliméricos.

Al átomo, molécula o grupo de átomos o de moléculas que se debe asociar a cada nudo de la red para reproducir todo el cristal se lo denomina base o motivo. Así pues, una estructura cristalina real —un cristal— se construye colocando una base en cada una de las posiciones marcadas por la red de Bravais correspondiente (o sea en sus nudos). Es decir, los términos «red» y «estructura» no son sinónimos y no deberían confundirse, aunque es relativamente frecuente verlos empleados de modo incorrecto. Esquemáticamente, podemos resumir esta idea diciendo que estructura cristalina = red espacial + base.

METALES FERROSOS

Los materiales férricos son aquellos que en su composición tienen principalmente hierro, como el acero ( mezcla de hierro  con un poco de carbono ) o el hierro puro.[pic 7]

En la imagen podemos observar bobinas de acero empleadas para la chapa de los automóviles. Sólo con este uso, ya nos podemos imaginar la demanda tan elevada que hay de este material. Si además tenemos en cuenta que el motor del coche está fabricado básicamente por hierro, sumamos y sumamos.[pic 8]

La gran ventaja de este material es su precio relativamente bajo y la capacidad de unirse con otros elementos para mejorar sustancialmente sus propiedades. Veremos el caso del acero.

Hemos representado un tipo de acero ( la estructura cristalina, o sea, como se colocan los átomos en el material )

Las bolas grises representan los átomos de hierro y las azules los de carbono.

Al formarse la estructura ( hierro en el horno ) los átomos de hierro está moviéndose libremente. Cuando baja la temperatura es como la diana de los metales ( hay que formar filas ) y los átomos de hierro se agrupan de forma que generan ese cubo de la imagen. Como hemos añadido un poquito de carbono ( sobre el 1% ), los átomos de este no metal   se “cuelan” en la formación del cubo ( red cristalina ) creando una aleación con unas propiedades mecánicas mejores.

En los materiales, el tipo de enlace químico determina una gran cantidad de sus propiedades. El orbital más externo llamado capa de valencia, determina cuantos enlaces puede formar un átomo. Para que se forme un enlace se requiere:

• Que las capas de valencia se toquen; por esto debe ser el orbital más externo.
• Que haya transferencia de electrones en las capas de valencia de ambos átomos.

Existen tres diferentes tipos de enlace considerados energéticamente fuertes: el enlace iónico, el covalente y el metálico. Existen además las llamadas fuerzas de atracción débiles o fuerzas intermoleculares.

Enlace iónico

Para que pueda darse este enlace, uno de los átomos debe ceder electrones y,  or el contrario, el otro debe ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que pasan a ser cationes y aniones. El ejemplo típico es el cloruro da sodio, en donde para formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta positiva y un cloro con carga neta negativa.

[pic 9]

Formación del cloruro de sodio (NaCl) a través del enlace iónico.

Enlace covalente

En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones.

[pic 10]

Esquema de un enlace covalente. Ambos átomos comparten electrones para formar un solo enlace.

Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace covalente también es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que es muy costoso, energéticamente hablando, romper estas moléculas en sus componentes básicos.

Enlace metálico

Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica.

Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de  electrones con carga negativa que los envuelve.

[pic 11]

Modelo descriptivo del enlace metálico. Los iones positivos del metal forman una red que se mantiene unida gracias a la nube de electrones que los envuelven.

Este tipo de enlace es el que permite a los metales ser materiales, por lo que pueden ser relativamente de fácil maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños. Además, es el que permite a muchos de estos materiales ser buenos conductores eléctricos.

 Estructura de materiales puros

Enlaces intermoleculares

Este tipo de enlaces se caracteriza por que la distancia entre los átomos es más grande, se encuentran las fuerzas de London, Van der Waalls y los puentes de hidrógeno. Estos enlaces son los que permiten cierta cohesión en sustancias como el agua o que le dan a ciertos materiales propiedades eléctricas (electrostática). A diferencia de los otros enlaces, este es más común

moléculas y no tanto para átomos. [pic 12]

Diagrama de un enlace intermolecular, puente de hidrógeno de las moléculas de agua.

En muchos casos, se habla de un material puro cuando este no tienen impurezas de otra naturaleza en su estructura. Sin embargo, en realidad no existen materiales totalmente puros, por eso que se les debe asignar un porcentaje de pureza, que, por ejemplo, en metales preciosos, les da su valor comercial.

Estructura de los materiales compuestos

Matriz.

Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interface. Una interface débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia, pero alta resistencia a la fractura y viceversa.

Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas.

Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termo mecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor.

Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos.

Refuerzos.

Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material.

...