Tecnología De Los Materiales

ÍNDICE

1. MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 3

1.2 INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES 4

1.3 DIAGRAMAS DE FASES EN EQUILIBRIO 6

1.4. CERÁMICAS 8

1.5. MATERIALES COMPUESTOS 11

1. MICROESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Sólido cristalino: se puede decir que un sólido cristalino podría ser el hielo; ya que este posee un ordenamiento estricto y regular, es decir, que sus átomos, moléculas o iones ocupan posiciones especificas, estos sólidos suelen tener superficies planas o caras que forman ángulos definidos entre sí. Los sólidos cristalinos adoptan diferentes formas y colores.

Sólido amorfo: amorfo quiere decir que estos sólidos no tienen forma.

Este sólido carece de un ordenamiento bien definido y de un orden molecular definido, algunos de estos sólidos son mezclas de moléculas que no se apilan, es decir que no pueden ir unos arriba de otros. Algún ejemplo de este tipo de sólidos son el hule y el vidrio.

Celda unitaria: Es la unidad estructural que se repite en un sólido, cada sólido cristalino se representa con cada uno de los siete tipos de celdas unitarias que existen y cualquiera que se repita en el espacio tridimensional forman una estructura divida en pequeños cuadros.

A un modelo simétrico, que es tridimensional de varios puntos que define un cristal se conoce como una red cristalina.

Empaquetamiento de esferas

Los requerimientos geométricos generales para que se forme un cristal se entienden si se analizan las distintas formas en que se pueden empacar varias esferas idénticas. La manera en que las esferas se acomodan en capas determina el tipo de celda unitaria final.

La estructura tridimensional se genera al colocar una capa encima y otra debajo de esta capa, de tal manera que las esferas de una capa cubren totalmente las esferas de la capa inferior.

Empaquetamiento compacto de esferas: Las estructuras que los sólidos cristalinos adoptan son aquellas que permiten el contacto más íntimo entre las partículas, a fin de maximizar las fuerzas de atracción entre ellas, cada esfera está rodeada por otras seis en la capa.

El modelo de empaquetamiento compacto de esferas trabaja con capas compactas de esferas dispuestas unas sobre otras. Este modelo es muy útil y eficaz para sistematizar y clasificar las estructuras más corrientes y usuales de los sólidos iónicos

En ambos tipos de empaquetamiento cada esfera posee un número de coordinación igual a 12. En ambos tipos de empaquetamiento existe dos tipos de huecos, octaédrico (espacio vacío que queda entre seis átomos) y tetraédrico (espacio vacío que queda entre cuatro átomos). Por cada N átomos de una estructura de empaquetamiento compacto existen N huecos octaédricos y 2N tetraédricos.

Diferencias estructurales y de comportamiento de los sólidos cristalinos y materiales vítreos

Cuando las moléculas que componen un sólido están acomodadas regularmente, decimos que forman un cristal. Y al sólido correspondiente le llamamos sólido cristalino o fase cristalina Existen muchos ejemplos de sólidos cristalinos como por ej., la sal de mesa (cloruro de sodio, Na Cl?) y el azúcar (sacarosa, C 12 H 22 O 11).

Los sólidos como cristalinos porque las partículas macroscópicas que los forman (los cristales) tienen formas regulares: si examinamos cristales de cloruro de sodio bajo una lente de aumento, veremos que los cristales tienen forma de pequeños cubos.

El vidrio es una sustancia amorfa porque no es ni un sólido ni un líquido, sino que se halla en un estado vítreo en el que las unidades moleculares, aunque están dispuestas de forma desordenada, tienen suficiente cohesión para presentar rigidez mecánica.

1.2 INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un solvente. Tal mezcla es considerada una solución en lugar de un compuesto siempre que la estructura cristalina del disolvente permanezca sin cambios al ser sustituidos sus átomos por los átomos de los solutos y además la mezcla permanezca homogénea.

El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada partícula del disolvente por una partícula del soluto, o bien de forma intersticial, encajándose cada partícula de soluto dentro del espacio que hay entre partículas del disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente.

Algunas mezclas constituirán fácilmente soluciones sólidas en un determinado rango de concentraciones, mientras que otras mezclas no constituirán nunca soluciones sólidas. La propensión de dos sustancias a formar una solución sólida es un asunto complicado que dependerá de las propiedades químicas, cristalográficas y cuánticas de los materiales en cuestión. Por regla general, se pueden formar soluciones sólidas siempre que solvente y soluto tengan:

* Similar radio atómico (menos del 15 % de diferencia, para tener solubilidad total): Cuanto más similares sean, menor distorsión de red y por tanto mayor solubilidad.

* Igual estructura cristalina.

* Similar electronegatividad: Los metales deben tener poca afinidad electroquímica para formar solución solida. En caso de tener gran afinidad electroquímica se pierde el carácter metálico y se refuerza el carácter iónico o covalente en la aleación.

* Similar valencia: Si el soluto aporta más electrones a la nube electrónica que el disolvente se favorece la solubilidad.

Las fases intermedias se representan como líneas verticales en los diagramas de fases porque suelen tener un pequeño intervalo de composición lo que conduce a compuestos con fórmula química definida (ej. Mg2Sn). Si presentan un intervalo de composición suele tratarse de compuestos electrónicos (que se representan por una letra griega). Las fases intermedias tienen puntos de fusión superiores a los de los dos metales.

Reacción peritéctica: Líquido + Sólido 1 --> Sólido 2

el sólido 2 suele ser una fase intermedia.

* Reacción monotéctica se presenta cuando los metales son sólo parcialmente solubles en estado líquido: Líquido 1 --> Líquido 2 + Sólido

* Otras reacciones invariantes en estado sólido

Reacción eutectoide: Sólido 1 --> Sólido 2 + Sólido 3

* Reacción peritectoide: Sólido 1 + Sólido 2 --> Sólido 3

1.3 DIAGRAMAS DE FASES EN EQUILIBRIO

Diagramas de fases son representaciones gráficas temperatura vs. Composición a presión constante, que permiten conocer:

- las fases presentes para cada temperatura y composición

- solubilidades a diferentes temperaturas de un componente en otro

- temperatura de solidificación, etc.

Los diagramas de fases se construyen a partir de datos experimentales de Análisis Térmico diferencial (ATD), observación metalográfica y difracción de rayos X.

Regla de las fases (Gibbs)

FASES + GRADOS DE LIBERTAD = COMPONENTES + 2

( si la presión se mantiene constante F + L = C + 1 )

Clasificación simplificada de los diagramas de fases en metales

Solubilidad total en estado líquido

- solubilidad total en estado sólido presentan únicamente líneas de líquidus y sólidus, forman soluciones sólidas substitucionales

Reglas de Hume - Rothery (para que dos metales formen soluciones sólidas substitucionales)

-deben cristalizar en el mismo sistema

-tener idéntica valencia

-igual carácter electroquímico

-diámetros atómicos que no difieran en más del 15%

- insolubilidad total en estado sólido

- aparición de un punto invariante (eutéctico E)

- transformación eutéctica: Líquido--> Sólido A + Sólido B

- la curva de enfriamiento de una composición eutéctica sigue el mismo patrón que la de un metal puro

- el eutéctico presenta una morfología característica

- solubilidad parcial en estado sólido

- líneas de solvus

- soluciones sólidas terminales

- en aleaciones que presentan soluciones sólidas terminales en que disminuye la solubilidad en estado sólido con la temperatura puede producirse un endurecimiento por precipitación y posterior envejecimiento (ej. Al-Cu).

1.4. CERÁMICAS

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

Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo de tungsteno.

Estos materiales presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan una gran estabilidad de sus electrones y les confieren propiedades específicas como la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión.

Sin embargo, su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por lo que resultan menos elásticos y tenaces que éstos.

Según su microestructura, podemos clasificarlos en: cerámicos cristalinos, cerámicos no cristalinos o vidrios y vitro cerámicos.

Cerámicos cristalinos

Se obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso de fusión como el de solidificación posterior son lentos, lo que permite a los átomos ordenarse en cristales regulares. Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas, superiores a la de reblandecimiento de la mayoría de los vidrios refractarios.

Cerámicos no cristalinos

Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, el proceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el proceso de cristalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos no se ordenan de ningún modo preestablecidos.

Vitro cerámicos

Se fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento también rápido. Químicamente son similares a los vidrios convencionales, pero la mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.

Propiedades y aplicaciones

Los materiales cerámicos se caracterizan por las siguientes propiedades:

• Son muy duros y presentan una gran resistencia mecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura.

• Son capaces de soportar altas temperaturas

• Tienen gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión

• Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas.

Los materiales cerámicos son materiales ligeros. Su densidad varía según el tipo de cerámica y el grado de compacidad que presenten. Son mucho más duros que los metales. A diferencia de éstos, se trata de materiales relativamente frágiles, ya que los enlaces iónico-covalentes.

Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manera irreversible.

Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridos o compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra de vidrio, de un polímero plástico o, incluso, de fibras cerámicas inmersas en el material cerámico, con lo que se consigue que el material posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a la rotura.

Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otros materiales híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresión inglesa ceramic metals, compuestos principalmente de óxido de aluminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y el hierro.

Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado.

El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuando presentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter el polvo metálico junto al material cerámico a una compresión dentro de un horno eléctrico para obtener una aleación.

Resistencia a la temperatura

Esta propiedad se fundamenta en tres características de los materiales cerámicos: elevado punto de fusión, bajo coeficiente de dilatación y baja conductividad térmica.

* Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, si exceptuamos el volframio.

* Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmente resistentes a los choques térmicos. Otros materiales, en esta circunstancia, experimentan cambios de volumen que determinan la aparición de gritas y su posterior rotura.

* Su baja conductividad térmica permite su empleo como aislantes.

Resistencia a los agentes químicos

La estructura atómica de los materiales cerámicos es la responsable de su gran estabilidad química, que se manifiesta en su resistencia a la degradación ambiental y a los agentes químicos.

Las aplicaciones de los diferentes tipos de materiales dependen de su estructura y de los agentes químicos a que vayan ser sometidos.

La alúmina de elevada pureza se emplea en prótesis o implantes óseos o dentales por su resistencia al desgaste y a la corrosión, y su gran estabilidad a lo largo del tiempo.

1.5. MATERIALES COMPUESTOS

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos que cumplen las siguientes propiedades:

* Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.

* Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.

* Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.

A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.

La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

Estructura

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes:

* Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.

* Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

Clasificación

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

Materiales Compuestos reforzados con partículas

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

Tipos: Endurecidos por dispersión Formados por partículas verdaderas

Materiales Compuestos reforzados con fibras

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación.

Materiales compuestos estructurales

Panel sandwich con núcleo en forma de panal.

Están formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich.

Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.

Los paneles sandwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

Ejemplos de materiales compuestos

* Plásticos reforzados con fibra:

* Clasificados por el tipo de fibra:

* Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)

* Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o

* Plástico reforzado de fibra de vidrio o GFRP o reinforced plastic GRP (informalmente, "fibra de vidrio")

* Clasificados por la matriz:

* Termoplásticos reforzados por fibra larga.

* Termoplásticos tejidos de vidrio.

* Compuestos termoformados o termoestables.

* Compuestos de matriz metálica o MMCs:

* Cermet (cerámica y metal).

* Fundición blanca.

* Metal duro (carburo en matriz metálica)

* Laminado metal-intermetal.

* Compuestos de matriz cerámica:

* Hormigón/Concreto

* Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).

* Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)

* Adobe (barro y paja)

* Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico

* Madreperla o nácar

* Concreto asfáltico

* Madera mejorada

* Plywood

* Tableros de fibra orientada.

* Trex

* Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)

* Pycrete (serrín en matriz de hielo)

Procesos de fabricación

* Moldeo SMZ

* Moldeo por proyección

* Moldeo por vía húmeda ó contacto

* Apilado por bolsa de vacío

* Resine Transfer Moulding, RTM

* Vacuum Assisted Resine Transfer Moulding, VARTM

* Resine Infusion Moulding, RIM

* Filament Winding

* Fiber Placement

* Pultrusión

* Automatic Tape Laying, ATL

* Eb couring

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