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Ciencia de los materialesGuía de estudio para examen de medio curso 2014Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos

Introducción a los materiales

Objetivo: Permitir darse cuenta de los tipos de materiales disponibles, entender sucomportamiento general y sus capacidades, y reconocer los efectos del ambiente y delas condiciones de operación sobre el rendimiento de los materiales.

Objetivos específicos de aprendizaje:1. Introducción!. "a clasificación de los materiales#. "a aplicación y ejemplos de cada material$. "a relación entre estructuras propiedades y procesamiento

%. "os efectos ambientales en el comportamiento de los materiales

ntroducci!n

  &l 'ombre, los materiales y la ingeniería 'an evolucionado en el transcurso deltiempo y contin(an 'aci)ndolo 'asta el día de 'oy.

  &n la &dad de Piedra, los seres 'umanos crearon 'erramientas de piedra debido a lacarencia de una tecnología m*s avanzada. "a madera, los  'uesos y otros materiales

tambi)n fueron utilizados +cuernos, cestos, cuerdas, cuero, fibras vegetales, pero la piedra +y, en particular, diversas rocas de rotura concoidea, como el síle-, el cuarzo, lacuarcita, la obsidiana fue utilizada para fabricar 'erramientas y armas, de corte o

 percusión.

este período le siguió la &dad del /obre +el cobre, junto con el oro y la plata, es delos primeros metales utilizados en la Pre'istoria, tal vez por0ue, a veces, aparece enforma de pepitas de metal nativo el objeto de cobre m*s antiguo conocido 'asta elmomento es un colgante oval procedente de 2'anidar  +Ir*n, 0ue 'a sido datado en ela3o 4%55 a. /. y, sobre todo, la &dad de 6ronce +período de la civilización en el 0ue sedesarrolló la metalurgia de este metal, resultado de la aleación de cobre con esta3o en

una proporción variable. "a cantidad de esta3o podía variar desde un #7 en losllamados «bronces blandos», 'asta un !%7 en los llamados «bronces campaniles»  amayor cantidad de esta3o, m*s tenacidad, pero tambi)n menos maleabilidad: en laPre'istoria la cantidad media suele rondar el 157 de esta3o. 2e supone 0ue fueron losegipcios los primeros en a3adir esta3o al cobre, al observar 0ue )ste le daba mejorescualidades, como la dureza, un punto m*s bajo de fusión y la perdurabilidad, ya 0ue elesta3o no se o-ida f*cilmente con el aire y es resistente a la corrosión adem*s el broncees reciclable, pudi)ndose fundir varias veces para obtener nuevos objetos de otros yadesec'ados

"a &dad del 8ierro es el (ltimo periodo principal en el sistema de las tres edades,usado para clasificar sociedades  pre'istóricas, y es precedido por la &dad del 6ronce.

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"a &dad de 8ierro corresponde apro-imadamente con el momento en 0ue la producciónde 'ierro era la forma m*s sofisticada de metalurgía. "a dureza del 'ierro, su altatemperatura de fusión y la abundancia de fuentes de mineral de 'ierro lo convirtieron enun material muc'o m*s deseable y barato de obtener 0ue el bronce, lo 0ue contribuyó deforma decisiva a su adopción como el metal m*s usado.

  &l 8ierro es uno de los elementos 0ue m*s abunda en la 9ierra. espu)s delaluminio, es el metal m*s abundante, sin embargo, su utilización pr*ctica comenzó ;555a3os m*s tarde 0ue el cobre y !%55 a3os despu)s del bronce. &ste retraso no se debe aldesconocimiento de este metal, puesto 0ue los antiguos conocían el 'ierro y loconsideraban m*s valioso 0ue cual0uier otra joya, pero se trataba de hierro meteórico,es decir, procedente de meteoritos.

  Por todo esto sin duda alguna la producción y el procesado de los materiales paraconvertirlos en productos acabados constituyen una parte importante de nuestraeconomía actual. "os productores re0uieren materiales, los ingenieros deber*n tener 

conocimiento sobre la estructura interna y propiedades de los materiales, de modo 0uesean capaces de seleccionar el material m*s adecuado para cada aplicación y tambi)ncapaces de desarrollar los mejores m)todos de proceso.

  "os ingenieros especializados en investigación y desarrollo trabajan para crear nuevos materiales o para modificar las propiedades de los ya e-istentes. "os ingenierosde dise3o usan los materiales e-istentes, los modificados o los nuevos para dise3ar ocrear nuevos productos y sistemas.

  Por lo tanto, los ingenieros sea cual fuera su especialidad, debe tener conocimientos b*sicos y aplicados sobre los materiales de ingeniería a efecto de poder realizar sutrabajo de forma m*s eficaz cuando vayan a utilizarlos.

/iencia e Ingeniería de materiales:

  "a ciencia de los materiales se dedica principalmente a la b(s0ueda deconocimientos b*sicos sobre la estructura interna, propiedades y procesado de losmateriales.

  "a ingeniería de materiales est* relacionada con el uso de los conocimientos

fundamentales y aplicados sobre los materiales, de modo 0ue los materiales sonconvertidos en productos necesarios o re0ueridos por la sociedad.

  "a ciencia de los materiales tiene como fin b*sico el conocimiento del conjunto demateriales e-istentes y la ingeniería de materiales tiene como objetivo el conjunto deconocimientos aplicados.

/lasificación de los materiales

"a mayoría de los materiales usados en ingeniería est*n divididos en % grupos

 principales: metales, cer*micos, polímeros, compuestos y semiconductores.

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  <etales: 2on sustancias inorg*nicas 0ue est*n compuestas de uno o m*s elementosmet*licos, pudiendo contener algunos elementos no met*licos. lgunos ejemplos deelementos met*licos son 'ierro, cobre, aluminio, ní0uel y titanio. &lementos no

met*licos como carbono, nitrógeno y o-ígeno, pueden estar contenidos en los materialesmet*licos. "os metales tienen una estructura cristalina en la 0ue los *tomos est*ndispuestos de manera ordenada. "os metales tienen como característica general: buenosconductores el)ctricos y t)rmicos, relativamente alta resistencia mec*nica incluso atemperaturas elevadas, alta rigidez, ductilidad o conformabilidad y resistencia alimpacto.

  "os metales y aleaciones se dividen normalmente en dos clases: metales y aleacionesf)rricas, 0ue contienen un alto porcentaje de 'ierro, +como el acero o la fundiciones de'ierro y metales y aleaciones no f)rricas, 0ue carecen de 'ierro o sólo contienencantidades relativamente pe0ue3as. &jemplo de metales no f)rricos son aluminio, cobre,

cinc, titanio y ní0uel.

  =na aleación es una combinación de metales, usados para mejorar ciertas propiedades deseadas o permitir una mejor combinación de propiedades. &l ejemplom*s claro de una aleación es el acero, combinación principalmente de 'ierro y carbono.

  "os metales son particularmente (tiles en aplicaciones estructurales o de carga.

  Polímeros: "a mayoría de los materiales polim)ricos est*n formados por largascadenas o redes de mol)culas org*nicas. &structuralmente, la mayoría de los materiales

 polim)ricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinasy no cristalinas.

  &stos se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de mol)culasorg*nicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas, en un proceso conocido como

 polimerización. "os polímeros tienen baja conductividad el)ctrica y t)rmica+propiedades aislantes, escasa resistencia mec*nica y no se recomiendan paraaplicaciones en temperatura elevada, ya 0ue tienen bajas temperaturas dereblandecimiento o descomposición, tienen baja densidad y e-celente resistencia a lacorrosión.

  "os polímeros pueden ser clasificados por su comportamiento cuando son calentadosen: termopl*sticos, termoestables y elastómeros.

  "os polímeros termopl*sticos, se comportan de manera pl*stica a elevadastemperaturas, la naturaleza de su enlace no se modifica radicalmente cuando latemperatura se eleva. &n los polímeros termopl*sticos las cadenas moleculares no est*nconectadas de manera rígida, tienen buena ductilidad y conformabilidad.

lgunos ejemplos de polímeros termopl*sticos son: polietileno +bolsas de todo tipo:supermercados, bouti0ues, panificación, congelados, industriales, etc. envasamientoautom*tico de alimentos y productos industriales: lec'e, agua, pl*sticos, etc. macetas

 bolsas para suero envases para: detergentes, lejía, aceites automotor, s'ampoo, l*cteos,

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etc cloruro de polivinilo, poliestireno +carcasas de televisores, impresoras,   puertas  einteriores de frigoríficos, ma0uinillas de afeitar desec'ables, juguetes., teflón, poli)ster,etc.  "os polímeros termoestables son m*s resistentes, a pesar de 0ue sus cadenasmoleculares fuertemente enlazadas los 'acen m*s fr*giles. &stos no pueden ser 

reprocesados una vez 0ue ya 'an sido conformados. 9ienen m(ltiples aplicaciones, entreellas en dispositivos electrónicos.

&lastómeros: comportamiento intermedio entre los termoestables y termopl*sticos,tienen la capacidad de deformarse el*sticamente en alto grado sin cambiar 

 permanentemente su forma.

  &n general los polímeros se emplean en innumerables aplicaciones 0ue incluyen juguetes, artículos para el 'ogar, artículos estructurales y decorativos, recubrimientos, pinturas, ad'esivos, neum*ticos, empa0ue y muc'as otras cosas.

  /er*micos: 2on materiales inorg*nicos constituidos por elementos met*licos y nomet*licos co'esionados 0uímicamente. "os materiales cer*micos pueden ser cristalinos,no cristalinos o mezclas de ambos. "a mayoría de los materiales cer*micos tieneelevada dureza y alta resistencia a elevada temperatura pero tienden a ser fr*giles. "asventajas de los materiales cer*micos para su uso t)cnico se resumen en bajo peso, altaresistencia y dureza, alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedadesaislantes.

  "as propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste demuc'os materiales cer*micos los 'acen (tiles en revestimientos de 'ornos paratratamientos t)rmicos y fusión de metales como el acero.

  Otras aplicaciones son: productos de alfarería, fabricación de ladrillos, azulejos, loza,materiales refractarios, imanes, artículos para la industria el)ctrica y abrasivos.

  <ateriales compuestos: "os materiales compuestos est*n constituidos por ! o m*smateriales, 0ue generan propiedades no obtenibles mediante uno solo. "a mayoría deellos constan de un determinado material de refuerzo y una resina aglomerantecompatible con el objeto de obtener las características específicas y propiedadesdeseadas. >ormalmente, los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados físicamente gracias a la interfase entre los mismos. "os materiales

compuestos pueden ser de muc'os tipos. "os 0ue predominan son los fibrosos +ocompuestos de fibras en una matriz y los particulados +compuestos de partículas en unamatriz.

  os clases de materiales compuestos modernos son la fibra de vidrio 0ue refuerzauna matriz de poli)ster o resina epo-i y las fibras de carbono en una matriz epo-ídica.Otros ejemplos: el concreto, la madera contrac'apada +triplay.

  2emiconductores. 2u conductividad el)ctrica puede controlarse para su uso endispositivos electrónicos. 2on muy fr*giles. =n semiconductor es una sustancia 0ue secomporta como conductor  o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente

en el 0ue se encuentre. "os elementos 0uímicos semiconductores de la tabla periódica.

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Cd  " 2 e#  Al$ Ga$ "$ n  A %e# &i$ Ge ' A 4 e# ($ As$ &) ' A * e#  &e$ +e$ ,&-' A e#.

Clasi/icaci!n de algunos materiales

etales Cermicos (olímeros Compuestos &emiconductores

8ierro ?idrio Polietileno <adera /admio

luminio Porcelanas &pó-icos 9riplay 2ilicio

cero <agnesia+<gO

@enólicos 8ueso Aermanio

/obre l(mina+l!O#

Poliestireno @ibra de vidrio 6oro

Plata /irconia+BrO!

Polivinilo @ibra decarbón

Indio

Binc Cefractarios >ylon /oncreto2elenio

6ronce /emento "ana @ibra Dptica 9elurio

8ierro fundidogris Arafito 8ule cerorecubierto detitanio

rs)nico

 "atón rcilla Poliuretano

/arburo detungsteno con

cobaltontimonio

Relaci!n entre estructura$ propiedades procesamiento

  Propiedades: "a propiedades de un material son de tres tipos: mec*nicas, físicas y0uímicas.

  "as propiedades mec*nicas determinan como responde el material al aplic*rsele unafuerza o esfuerzo. &l esfuerzo se define como la fuerza dividida entre el *rea transversalsobre la cual act(a. "as propiedades mec*nicas m*s comunes son la resistenciamec*nica, la ductilidad y la rigidez del material aun0ue a menudo interesa saber comose comporta el material cuando es e-puesto a c'o0ues repentinos e intensos +impacto, aesfuerzos repetidos cíclicamente en un periodo dado +fatiga, a temperaturas elevadas+termofluencia o cuando se somete a acciones abrasivas +desgaste.

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  "as propiedades mec*nicas no solo determinan el comportamiento del material enoperación, si no 0ue influyen en la facilidad con 0ue pueda ser conformado en un

 producto de servicio.

Propiedades m*s comunes:

9enacidad: &s la propiedad 0ue tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse niromperse, los esfuerzos bruscos 0ue se le aplican.

&lasticidad: /onsiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma ydimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo 0ue 'abía determinado su deformación.

ureza: &s la resistencia 0ue un material opone a la penetración.

@ragilidad: =n material es fr*gil cuando se rompe f*cilmente por la acción de unc'o0ue.

Plasticidad: ptitud de algunos materiales sólidos de ad0uirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza e-terior, sin 0ue se produzcarotura.

uctilidad: /onsiderada una variante de la plasticidad, es la propiedad 0ue poseenciertos metales para poder estirarse en forma de 'ilos finos.

<aleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en l*minas delgadas.

"as anteriores propiedades mec*nicas se valoran con e-actitud mediante ensayosmec*nicos:

&nsayo de tracción: Ofrece una idea apro-imada de la tenacidad y elasticidad de unmaterial.

&nsayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.

&nsayos al c'o0ue: 2u pr*ctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.

&nsayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad 0ue poseeun material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.

  "as propiedades físicas: dependen de la estructura y procesamiento delmaterial. escriben características como color, conductividad el)ctrica o t)rmica,magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerza 0ue act(an

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sobre el material. Pueden dividirse en: el)ctricas, magn)ticas, ópticas, t)rmico yel*stico.

  "as propiedades 0uímicas: comprenden entre otras las fuerzas de enlace +debido a lacomposición y su comportamiento ante medios agresivos +corrosión.

  &structura: la estructura de un material puede considerarse en varios niveles. &n losniveles m*s fundamentales est* la estructura de los *tomos 0ue comprenden el material."a distribución de electrones alrededor del n(cleo atómico afecta de manerasignificativa los componentes el)ctricos, magn)ticos, t)rmicos, ópticos y a(n laresistencia a la corrosión. dem*s, el arreglo electrónico influye en como se unen los*tomos entre sí, lo cual determina 0ue el material sea un metal, cer*mico o polímero.

&l siguiente nivel se considera la organización de los *tomos en el espacio. "os metales

muc'os cer*micos y algunos polímeros tienen una organización atómica muy regular denominada estructura cristalina. 9al configuración influye en las propiedadesmec*nicas de los metales, como la ductilidad, resistencia mec*nica y resistencia alimpacto.

9ipos de enlace atómico y enlace moleculares:

&l enlace 0uímico entre *tomos tiene lugar debido a la disminución neta de laenergía potencial de los *tomos en estado enlazado, significa 0ue estando enlazadosencuentran condiciones energ)ticas m*s estables 0ue cuando est*n libres.

  "os enlaces 0uímicos entre *tomos pueden dividirse en dos grupos: enlaces fuertes o

 primarios y enlaces débiles o secundarios.

 Enlaces atómicos primarios:

  "os enlaces atómicos primarios, en los cuales intervienen grandes fuerzasinteratómicas pueden dividirse en las # siguientes clases:

1. &nlace iónico: en este tipo de enlace se ponen en juego fuerzas interatómicasgrandes debido a la transferencia de un electrón de un *tomo a otro produciendo iones

0ue se mantienen unidos formando un sólido cristalino mediante fuerzas electroest*ticas+atracciones de iones cargados positiva y negativamente, no direccionales.

/uando en un material se encuentra presente m*s de un tipo de *tomo uno de ellos puede donar sus electrones de valencia a un *tomo diferente, ocupando el nivelenerg)tico e-terno del segundo *tomo. mbos tienen a'ora su nivel energ)tico e-ternolleno +o vacío y 'an ad0uirido cargas el)ctricas comport*ndose como iones. &l *tomo0ue aporta los electrones 0ueda con carga neta positiva y es un catión, mientras 0ue el*tomo 0ue acepta los electrones ad0uiere carga neta negativa y es un anión. "os ionescargados opuestamente se atraen entre si produciendo la unión iónica. Por ejemplo, launión entre los iones de sodio y cloro produciendo cloruro de sodio >a/l o sal com(n.

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/uando se aplica una fuerza a un cristal de cloruro de sodio, se rompe el e0uilibrioel)ctrico entre los iones. &n parte por esta causa los materiales unidos iónicamente secomportan como fr*giles. 2u conductividad el)ctrica es baja ya 0ue la carga el)ctrica

 puede ser transferida por el movimiento de los iones enteros, lo 0ue no se desplazan tanf*cilmente como los electrones. <uc'os materiales cer*micos y minerales est*n, al

menos en parte unidos iónicamente.

 

!. &nlace covalente: corresponde a fuerzas interatómicas relativamente grandes creados por la compartición de electrones para formar un enlace con una dirección localizada.

"as uniones covalentes son muy fuertes, los materiales unidos de este modo tienen pocaductilidad y escasa conductividad el)ctrica. /uando se dobla una barra de silicio, losenlaces deben romperse por0ue los *tomos de este elemento van a cambiar constantemente la relación entre ellos. Igualmente, para 0ue un electrón se mueva yforme una corriente el)ctrica, el enlace covalente debe romperse para liberar al electrón,necesit*ndose altas temperaturas o voltajes muy altos.

<uc'os materiales cer*micos y polim)ricos est*n completamente o parcialmente unidos por enlaces covalentes lo 0ue e-plica por0ue el vidrio se rompe cuando es golpeado y por0ue los ladrillos son buenos aislantes del calor y la electricidad.

 

#. &nlace met*lico: Involucran fuerzas interatómicas relativamente grandes creadasmediante la compartición de electrones deslocalizados para formar enlace fuerte nodireccionales entre los *tomos.

"os elementos met*licos 0ue tienen valencia baja, ceden sus electrones para formar unmar de electrones 0ue rodea al *tomo. &l aluminio, por ejemplo libera sus treselectrones de valencia dejando un cuerpo central o nódulo 0ue consiste en el n(cleo y

electrones internos. Puesto 0ue faltan # electrones negativos a dic'a parte )sta se

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convierte en un ion con carga positiva igual a #. "os electrones de valencia 0ue ya noest*n asociados a ning(n *tomo en particular, se mueven libremente en el mar deelectrones y se ligan a diversos nódulos de *tomos. 9ales partes centrales cargadas

 positivamente, se mantienen unidas entre si por atracción mutua 'acia el electrón produciendo de esta manera la fuerte unión met*lica.

"os enlaces met*licos son no direccionales, los electrones 0ue mantienen ligados a los*tomos no est*n fijos en su posición. /uando se dobla un metal y los *tomos intentancambiar su relación entre ellos la dirección del enlace simplemente se desliza en lugar de romperse. &sto permite 0ue los metales sean conformados en configuraciones (tiles."a unión met*lica permite 0ue los metales sean buenos conductores el)ctricos.

 Enlaces atómicos secundarios:

"os enlaces secundarios se subdividen en: +1 dipolos instant*neos y +! dipolos permanentes.

"os enlaces secundarios se forman por la atracción electroest*tica de los dipolosel)ctricos dentro de los *tomos o mol)culas.

&n los dipolos instant*neos: los *tomos se mantienen juntos debido a su distribución decarga asim)trica dentro de los mismos. &stas fuerzas son importantes para lalicuefacción y solidificación de gases nobles.

"os enlaces permanentes son importantes en el enlace de mol)culas polares unidascovalentemente tales como el agua y los 'idrocarburos.

 Enlaces de Van der Waals:

"as uniones o enlaces de ?an der Gaals ligan mol)culas o grupos de *tomos medianteatracciones electroest*ticas d)biles. <uc'os pl*sticos, cer*micas, el agua y otrasmol)culas est*n permanentemente o instant*neamente polarizados esto es, algunas

 porciones de las mol)culas tienden a estar con carga positiva, mientras otras porcionesest*n cargadas negativamente. "a atracción electrost*tica entre las regiones positivas deuna mol)cula y las regiones negativas de una segunda mol)cula unen d)bilmente a las

dos.

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&l enlace ?an der Gaals es un enlace d)bil entre *tomos o mol)culas polarizadasinstant*neamente. &s una unión secundaria, pero los *tomos dentro de la mol)cula, ogrupo de *tomos, est*n unidos por fuertes enlaces covalentes o iónicos. "os cristalesformados por gases nobles, tienen enlaces de ?an der Gaals. /alentar agua al punto deebullición rompe los enlaces citados y convierte el agua en vapor, pero se re0uieren

temperaturas muc'o mas elevadas para romper las uniones covalentes 0ue ligan a los*tomos de o-igeno o 'idrogeno.

Procesamiento:

&l procesamiento de los materiales genera la forma deseada de un componente a partir de un material no uniforme. "os metales pueden ser procesados vertiendo un metallí0uido a un molde +colado, uniendo piezas individuales de metal +soldadura autógena,

 pegadura, conformadas de piezas met*licas mediante altas presiones +forjado, trefilado,e-trusión, laminado, doblado, compactando pe0ue3as partículas en una masa sólida+metalurgia de polvos o eliminando material e-cedente +ma0uinado.

Igualmente los cer*micos pueden procesarse mediante colado, conformado, e-trusión ocompactación cuando est*n '(medos se trata t)rmicamente a temperaturas elevadas paradesecar y aglutinar componentes. "os polímeros se producen mediante moldeo por inyección de pl*stico reblandeciendo +similar al colado así mismo son e-traídos yconformados.

Interacción estructurapropiedades Hprocesamiento

/arga: &l tipo de carga o fuerza 0ue act(a en el material puede cambiar radicalmente sucomportamiento. Por lo general, el esfuerzo de fluencia por arriba del cual el materiale-perimenta cambio permanente en sus dimensiones es la propiedad m*s crítica y sueleser considerada las m*s importante en el dise3o de un componente. e cual0uier manera

un material puede fallar a(n así tenga alto esfuerzo de fluencia con cargas menores si lacarga es cíclica +fatiga o se aplica s(bitamente +impacto.

9emperatura: "os cambios de temperatura afectan muc'o a las propiedades de losmateriales. "a resistencia de muc'os materiales disminuye conforme la temperaturaaumenta. Pueden ocurrir cambios s(bitos desastrosos cuando se calienta por encima dela temperatura crítica. "as temperaturas altas en cer*micos pueden modificar suestructura y en polímeros provocar 0ue se derritan o carbonicen.

tmosfera: "a mayoría de los polímeros y de los metales reaccionan con el o-ígeno yotros gases particularmente a temperaturas elevadas. lgunos metales y cer*micos

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 pueden desintegrarse muy suavemente o ser atacados 0uímicamente. "os polímerossuelen endurecerse o despolimerizarse, tostarse o 0uemarse.

/orrosión: "os metales son atacados por diversos lí0uidos corrosivos siendo degradadosuniformemente o selectivamente pudiendo desarrollar tambi)n grietas o picaduras 0ue

conducen a una falla prematura. "as sustancias cer*micas son atacadas por cer*micos enestado lí0uido.&structuras cristalinas:

&-isten tres niveles de organización de los *tomos:

Desordenaci!n3 en gases como el argón y en la mayoría de los lí0uidos, los *tomos ymol)culas carecen de un arreglo ordenado los *tomos del argón se distribuyenaleatoriamente en el espacio donde se confina el gas.

rdenamiento particular ,de corto alcance-3 es cuando el arreglo característico de los*tomos se restringe solamente a *tomos circunvecinos. /ada mol)cula de vapor de aguatienen un ordenamiento limitado debido a los enlaces covalentes entre los *tomos de'idrogeno y de o-igeno esto es cada *tomo de o-igeno se une a dos mol)culas de'idrogeno, con un *ngulo de apro-imadamente 15$.% grados entre los enlaces. 2inembargo las mol)culas de agua no presentan un arreglo especifico en el vapor, sino 0uede manera aleatoria ocupan el espacio disponible.=na situación similar ocurre en loscristales cer*micos. &n la estructura tetra)drica de sílice, 0ue satisface la condición de0ue cuatro *tomos de o-igeno se enlazan covalentemente con cada *tomo de silicio./omo los *tomos de o-igeno deben formara *ngulos de apro-imadamente 154 grados

 para cumplir con los re0uisitos direccionales de los enlaces covalentes, se origina un

ordenamiento particular. >o obstante, las unidades tetra)dricas pueden unirse de maneraaleatoria. "a mayoría de los polímeros presentan ordenamiento de corto alcance similar.

 

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rdenamiento general ,de largo alcance-3 en los metales, en muc'os materialescer*micos y aun en ciertos polímeros, los *tomos muestran un ordenamiento general ode largo alcance esto es, el arreglo atómico específico se distribuye por todo elmaterial. "os *tomos forman un patrón reticular repetitivo. "a red o retícula +llamadatambi)n latice es un conjunto de puntos denominados puntos reticulares +o nodos, loscuales siguen un patrón regular, de manera 0ue la inmediaciones de cada punto de la redson id)nticas. =no o mas *tomos se asocian con cada punto en la red./onsecuentemente, cada *tomo tiene un ordenamiento particular o de corto alcance,

 puesto 0ue las inmediaciones de cada punto son id)nticas, así como un ordenamiento

general o de largo alcance, puesto 0ue la red se distribuye uniformemente en todo elmaterial.

"a configuración reticular difiere de un material a otra en forma y en dimensión,dependiendo del tama3o de los *tomos y del tipo de enlace interatómico. "a estructuracristalina se refiere al tama3o, forma y ordenamiento atómico dentro de la red.

"a mayor parte de los sólidos de la naturaleza son cristalinos lo 0ue significa 0ue los*tomos, mol)culas o iones 0ue los forman se disponen ordenados geom)tricamente en elespacio. &sta estructura ordenada no se aprecia en muc'os casos a simple vista por0ueest*n formados por un conjunto de microcristales orientados de diferentes manerasformando una estructura policristalina, aparentemente amorfa.

&ste orden se opone al desorden 0ue se manifiesta en los gases o lí0uidos. /uando unmineral no presenta estructura cristalina se denomina amorfo. "a cristalografía es laciencia 0ue estudia las formas y propiedades fisico0uímicas de la materia en estadocristalino.

"as redes cristalinas se caracterizan fundamentalmente por un orden o periodicidad. "aestructura interna de los cristales viene representada por la llamada celdilla unidad 0uese repite una y otra vez en las tres direcciones del espacio. &l tama3o de esta celdillaviene determinado por la longitud de sus tres aristas +a, b, c, y la forma por el valor delos *ngulos entre dic'as aristas +J,K,L.

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Celda unitaria3 es la menor subdivisión de una red 0ue retiene las característicasgenerales de toda la retícula. =na celda unitaria se indica en la figura mediante líneasgruesas. Ceuniendo celdas unitarias id)nticas se construye toda la red.

2e consideran 1$ tipos de celdas unitarias, o redes de 6ravais agrupadas en siete

estructuras cristalinas. "os puntos reticulares est*n en las es0uinas de las celdasunitarias, y en algunos casos, en el centro de cada una de las caras o de toda la celda.

Par*metros de red: los par*metros reticulares, 0ue describen el tama3o y la forma de lacelda unitaria, son las dimensiones de la celda unitaria y los *ngulos 0ue forman. &n unsistema cristalino cubico, solo la longitud de un lado del cubo es necesario paradescribir completamente la celda +se supone *ngulos de 45 grados.

2e re0uieren varios par*metros de red para definir el tama3o y la forma de las celdasunitarias complejas. Para una celda unitaria ortorrómbica, se deben de especificar lamedida de los tres lados de la celda, a5, b5 y c5. "a celda unitaria 'e-agonal re0uiere dosdimensiones a5 y c5, así como el *ngulo de 1!5 grados entre los ejes a5 y 45 grados entrea5  y c5. "a m*s compleja de las celdas unitarias, la triclínica, se define mediante tres*ngulos y # lados diferentes.

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ureza: la dureza no es una propiedad fundamental de un material si no 0ue estarelacionada con las propiedades el*sticas y pl*sticas. 2e entiende por dureza la

 propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación el*stica, pl*stica y destrucciones presencia de esfuerzos de contacto locales inferidos por otrocuerpo mas duro, el cual no sufre deformación residual +penetrador de determinada

forma y dimensiones.

"as pruebas de dureza pueden dividirse en # categorías:

=C&B &"29I/: se mide mediante un escleroscopio el cual mide la altura derebote, alguna energía se absorbe al formar la impresión y el resto regresa al martillo alrebotar este, cuanto mayor sea el rebote, mayor ser* el n(mero y la pieza ser* mas dura.&sta prueba realmente es una medida de la resistencia del material, o sea, la energía 0ue

 puede absorber en el intervalo el*stico.

C&2I29&>/I " /OC9& O 6C2IO>: prueba de rayadura la ideo @riederic'<o's. "a escala consta de 15 minerales est*ndar arreglados siguiendo un orden deincremento de dureza. &l talco es el 1, el yeso en !, etc. 8asta el 4 para el corindón y 15

 para el diamante.

C&2I29&>/I " I>&>9/IO>: estos ensayos miden la profundidad o tama3ode la 'uella resultante, lo cual se relaciona con un numero de dureza, cuanto mas blandosea el material, mayor y mas profunda es la 'uella y menor el numero de dureza. "adureza a la indentacion pueden clasificarse en # tipos principales: dureza 6rinell, dureza?icMers y dureza CocMNell.

"R5E66: &l probador de dureza brinell generalmente consta de una prensa 'idr*ulicavertical de operación manual, dise3ada para forzar un marcador de bola dentro de la

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muestra. &l procedimiento est*ndar re0uiere 0ue la prueba se 'aga con una bola de 15mm de di*metro bajo una carga de # 555 Mg para metales ferrosos a %55 Mg para metalesno ferrosos. Para metales ferrosos la bola bajo presión es presionada dentro de lamuestra a prueba por lo menos durante 15 seg. para los metales no ferrosos el tiempo esde #5 segundos. &l di*metro de la impresión producida se mide mediante un

microscopio de escala ocular. &l numero de dureza brinell +86 es la razón de la cargaen Milogramos al *rea en milímetros cuadrados de la impresión y se calcula:

P carga de prueba, Mgdi*metro de la bola, mm

ddi*metro de la impresión, mm

&l n(mero de dureza de brinell seguido por el símbolo 86 sin n(meros sufijos indicacondiciones de prueba est*ndar usando una bola de 15 mm de di*metro y una carga de #555 Mg, aplicada de 15 a 1% seg.

Para otras condiciones, el numero de dureza y el símbolo 6 se complementan por n(meros 0ue indican las condiciones de prueba en el siguiente orden: di*metro de la

 bola, carga y duración de la carga por ejemplo ;% 86 15%55#5 H dureza brinell de ;%medida con una bola de 15 mm de di*metro y una carga de %55 Mg aplicada por #5

segundos.

&l n(mero de dureza 6rinell puede correlacionar y dar un valor apro-imada a ciertosvalores de propiedades como:

Cesistencia a la tensión%55 68>

"imite de la resistencia a la fatiga +5.% +resistencia a la tensión

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RE&&+E5CA A 6A +E5&75

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espu)s de la prueba de dureza, la prueba de tensión es la realizada m*s frecuentemente para determinar ciertas propiedades mec*nicas.

&l ensayo de tensión mide la resistencia de un material a la aplicación gradual de unafuerza tensora.

/uando una pieza de metal se somete a una fuerza de tensión unia-ial se produce ladeformación del metal. 2i el metal recupera sus dimensiones originales cuando seelimina la fuerza se considera 0ue el metal 'a sufrido de una deformación el*stica. 2i elmetal se deforma tanto 0ue no puede recuperar completamente sus dimensionesoriginales, se considera 0ue 'a sufrido una deformación pl*stica.

&sfuerzo y deformación ingenieríl:

"os resultados de un ensayo simple pueden aplicarse a todos los tama3os y formas delas probetas para un material dado si se transforma la fuerza a esfuerzo y la distancia

entre las marcas a la calibración de deformación. &l esfuerzo y la deformación de uso eningeniería se definen mediante las siguientes ecuaciones:

&sfuerzo: cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza e-terna 0ue tiende a cambiar suforma o tama3o, el cuerpo se resiste a esa fuerza.

&sfuerzo R @o +es la resistencia interna del cuerpo.

5 Srea original de la sección transversal de la muestra antes de iniciar la prueba.

eformación T +l l5 l5 +cambios o dimensiones en el cuerpo.l5 distancia original entre las marcas de calibración.l distancia entre las marcas despu)s de aplicar la fuerza +carga.

"a curva de esfuerzodeformación se utiliza normalmente para registrar los resultadosde ensayo de tensión.

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"as unidades de tensión convencional +R son:

2istema anglosajón, librasfuerza por pulgada cuadrada +lbf in! o psi2istema internacional, >eNton por metro cuadrado +>m! o pascal +Pa, donde1>m!Pa.

"a deformación convencional +T es una magnitud adimensional.

&l ensayo de tensión se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones.

"as propiedades mec*nicas de metales y aleaciones 0ue tienen inter)s para el dise3oestructural en ingeniería y 0ue pueden obtenerse a partir del ensayo de tensión t)cnicoson:

1. <odulo de elasticidad.!. "imite el*stico convencional del 5.! por 155.

#. Cesistencia a la tensión.$. Porcentaje de alargamiento a fractura.%. Porcentaje de estricción a fractura.

<odulo de elasticidad: en general, los metales y las aleaciones muestran una relaciónlineal entre la tensión aplicada y la deformación producida en la región el*stica deldiagrama convencional 0ue se describe por la ley de 8ooMe:

R& T &RT

onde: & es el modulo de elasticidad o modulo Uoung. &l modulo young est*relacionado con la fuerza del enlace entre los *tomos del metal o aleación.

"imite proporcional: Para muc'os materiales estructurales se 'a encontrado 0ue la parteinicial de la gr*fica esfuerzodeformación puede ser apro-imada a una recta. &n esteintervalo, el esfuerzo y la deformación son proporcionales entre si, de manera 0uecual0uier incremento en esfuerzo resultar* un aumento proporcional a la deformación.

&l esfuerzo en el límite del punto de proporcionalidad se conoce como limite de proporcionalidad.

"imite el*stico: es un valor muy importante para el dise3o estructural en ingeniería puesto 0ue la tensión a la 0ue un metal o aleación muestra una deformación pl*sticasignificativa. Por lo tanto, el límite el*stico se define como a0uella tensión a la 0ue se

 produce una deformación pl*stica definida. &s decir es el esfuerzo mínimo al 0ue ocurrela primera deformación permanente, para la mayoría de los materiales estructurales, ellímite el*stico tiene casi el mismo valor num)rico 0ue el límite de proporcionalidad.

eformación pl*stica: si las fuerzas aplicadas a la probeta son mayores, el material secomporta de una manera pl*stica. /uando se incrementa el esfuerzo, las dislocaciones

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empiezan a producirse y ocurre el deslizamiento y el material empieza a deformarse pl*sticamente. diferencia de la deformación el*stica, la deformación ocasionada por eldeslizamiento es permanente.

Punto de cedencia o punto de fluencia: conforme la carga en la pieza a prueba aumenta

m*s all* del límite el*stico, se alcanza un esfuerzo al cual el material continuadeform*ndose sin 0ue 'alla incremento de la carga este punto se conoce como punto decedencia o fluencia. &ste fenómeno ocurre solo en ciertos materiales d(ctiles. &lesfuerzo puede disminuir realmente por un momento resultando en un punto decedencia superior y otro inferior. /omo el punto de cedencia es relativamente f*cil dedeterminar y la deformación permanente es pe0ue3a 'asta este punto de cedenciaconstituye un valor muy importante de considerar en el dise3o de muc'as partes parama0uinaria cuya utilidad se afectar* si ocurre una gran deformación permanente.

Cesistencia a la tensión: "a resistencia a la tensión es la m*-ima tensión alcanzada en lacurva de tensióndeformación. "a resistencia a la tensión puede aportar alguna

información sobre la presencia de defectos. 2i el material contiene porosidad oinclusiones, estos defectos pueden producir 0ue el valor de la resistencia m*-ima seanmenor 0ue la 'abitual.

Cesistencia a la ruptura: al esfuerzo m*-imo, la muestra e-perimenta una deformaciónlocalizada o formación de cuello conforme el *rea decrece. &sta elongación en forma decuello es una deformación no uniforme y ocurre r*pidamente 'asta el punto 0ue elmaterial falla. "a resistencia a la ruptura determinada al dividir la carga de ruptura entreel *rea transversal original es siempre menor 0ue la resistencia límite. Para un materialfr*gil la resistencia límite y la resistencia a la ruptura coinciden.

Porcentaje de alargamiento: la cantidad de alargamiento 0ue una probeta a tensiónsoporta durante el ensayo proporciona un valor de la ductilidad del metal. "a ductilidadde metales suele e-presarse como porcentaje de alargamiento, usualmente determinadoen probetas con %5 mm de longitud calibrada.

7 alargamiento +longitud final longitud inicial +longitud inicial - 1557

7 alargamiento +ll5l5 - 1557

Porcentaje de estricción: "a ductilidad de un metal o aleación tambi)n se puedee-presar en t)rminos de porcentaje de reducción de *rea o estricción. "a estricción esuna medida de la ductilidad del metal y su índice de calidad.

7 de estricción +Srea inicial Srea final +Srea inicial - 155

7 de estricción +5 f +5 - 155

(REG85+A&3

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@?OC & C&?I2C "O2 2IA=I&>9&2 /O>/&P9O2

Polimorfismo2olución 2ólidalotropía

@ase/lasificación de los aceros y sus características"as fases del acero y características&scoria de la producción de acero

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