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5/14/2018 Ciencia e Ingenieria - slidepdf.com

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5.3 Clasificación,estructura y aplicaciones

de las cerámicas.



Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y sonusados a menudo como aislantes. Son fuertes yduros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevastécnicas de procesos consiguen que los cerámicossean lo suficientemente resistentes a la fractura paraque puedan ser utilizados en aplicaciones de carga.

Dentro de este grupo de materiales se encuentran: elladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y losabrasivos.



Materiales cerámicos

Entre los metales cerámicos puros destacan el óxido

de aluminio, el nitruro de silicio y el carburo detungsteno.

Estos materiales presentan una estructura atómicaformada por enlaces híbridos iónico-covalentes queposibilitan una gran estabilidad de sus electrones yles confieren propiedades específicas como la dureza,la rigidez y un elevado punto de fusión.

Sin embargo, su estructura reticular tiene menoselectrones 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 ovidrios y vitro cerámicos.



Cerámicos cristalinosSe obtienen a partir de sílice fundida. Tanto el proceso defusión como el de solidificación posterior son lentos, lo quepermite a los átomos ordenarse en cristales regulares.Presentan una gran resistencia mecánica y soportan altastemperaturas, superiores a la de reblandecimiento de lamayoría de los vidrios refractarios. Cerámicos no cristalinos

Se obtienen también a partir de sílice pero, en este caso, elproceso de enfriamiento es rápido, lo que impide el procesode cristalización. El sólido es amorfo, ya que los átomos nose ordenan de ningún modo preestablecidos. Vitro cerámicosSe fabrican a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesiocon un proceso de enfriamiento también rápido.Químicamente son similares a los vidrios convencionales,pero la mayor complejidad de sus moléculas determina laaparición de micro cristales que les confieren mayorresistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.



Los materiales cerámicos se caracterizan por las

siguientes propiedades:• Son muy duros y presentan una gran resistenciamecánica al rozamiento, al desgaste y a la cizalladura.

• Son capaces de soportar altas temperaturas

• Tienen gran estabilidad química y son resistentes a lacorrosión

• Poseen una amplia gama de cualidades eléctricas.



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

Su fragilidad es muy baja y las fracturas se propagan de manerairreversible.Para mejorar sus propiedades, se han desarrollado materiales híbridoso compositores. Estos compuestos constan de una matriz de fibra devidrio, de un polímero plástico o, incluso, de fibras cerámicasinmersas en el material cerámico, con lo que se consigue que elmaterial posea elasticidad y tenacidad, y, por tanto, resistencia a larotura.Los materiales cerámicos también se utilizan en la fabricación de otrosmateriales híbridos denominados cermet, abreviatura de la expresióninglesa cerámica metales, compuestos principalmente de óxido dealuminio, dióxido de silicio y metales como el cobalto, el cromo y elhierro.

Para obtenerlos, se emplean dos técnicas: el sintetizado y el fritado.El sintetizado consiste en compactar los polvos metálicos cuandopresentan dificultad para ser aleados. El fritado consiste en someter elpolvo metálico junto al material cerámico a una compresión dentro deun horno eléctrico para obtener una aleación.



Resistencia a la temperatura

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

•Su elevado punto de fusión supera el de todos los metales, siexceptuamos el volframio.

•Su bajo coeficiente de dilatación los hace particularmenteresistentes a los choques térmicos. Otros materiales, en estacircunstancia, 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 laresponsable 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 desu estructura y de los agentes químicos a que vayan ser sometidos.

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



6.1Mecanismos de lacorrosión



• La corrosión se define como el deterioro de un material a

consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. De

manera más general, puede entenderse como la tendenciageneral que tienen los materiales a buscar su forma más estable

o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté

originada por una reacción electroquímica (oxidación), la

velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de

la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el

metal y de las propiedades de los metales en cuestión. Otros

materiales no metálicos también sufren corrosión mediante

otros mecanismos.

http://es.wikipedia.org/wiki/Oxidaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Oxidaci%C3%B3n



oxido reducción

•La corrosión puede ser mediante una reacción química(oxido reducción) en la que intervienen tres factores:

• La pieza manufacturada

• El ambiente

• El agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Oxidorreducci%C3%B3n






electroquímica.

• Los factores más conocidos son las alteraciones químicas

de los metales a causa del aire, como la herrumbre del

hierro y el acero o la formación de pátina verde en el

cobre y sus aleaciones (bronce, latón).

http://es.wikipedia.org/wiki/Electroqu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Herrumbre

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/wiki/Bronce

http://es.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Bronce

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro

http://es.wikipedia.org/wiki/Herrumbre

http://es.wikipedia.org/wiki/Electroqu%C3%ADmica



6.2 SERIES DE LA FUERZAELECTROMOTRIZ



Se le denomina fuerza electromotriz (FEM)

ala energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre

energía eléctrica.

Para poder explicar la fuerza electromotriz, debemos saber que, para poder

suministrar corriente electica es necesaria la existencia de una diferencia de potencialentre dos puntos o polos que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a

través de un circuito cerrado.



Una diferencia de potenciase puede usar para

suministrar energía, y con ello sostener una

corriente, en un circuito externo se llama fuerza

electromotriz, (FEM) se trata de un nombre equivocado, ya que no es una fuerza.Prácticamente, la FEM es el voltaje medio entre las terminales de una fuente cuando

no se toma corriente de ella ni se le entrega corriente.



FUENTE DE FUERZAELECTROMOTRIZELECTROMOTRIZ

Como fuente de fuerza electromotriz se entiende cualquierdispositivo capaz de suministrar energía eléctrica dinámica,

ya sea utilizando medios químicos, como las baterías, o

electromecánicos, como ocurre con los generadores de corriente

eléctrica.



PILAS O BATERÍAS.

Son las fuentes de FEM más conocidas del gran público. Generan

energía eléctrica por mediosquímicos. Las más comunes y corrientes son las de carbón-zinc y las

alcalinas, que cuando se agotan no admiten recarga. Las hay también

de níquel-cadmio (Ni Cd), de níquel e hidruro metálico (Ni-MH) y de

ión de litio (Li-ion), recargables.



MÁQUINASELECTROMAGNÉTICAS.

Generan energía eléctrica utilizando medios magnéticos y mecánicos.

Es el caso de las ?dinamos y generadores pequeños utilizados en vehículos automotores, plantas eléctricas portátiles y otros usos

diversos, así como los de gran tamaño empleados en las centrales

hidráulicas, térmicas y atómicas, que suministran energía eléctrica a

industrias y ciudades.



CELDAS FOTOVOLTAICAS O

FOTOELÉCTRICAS.

Llamadas también celdas solares, transforman en energía eléctrica la

luz natural del Sol o la de una fuente de luz artificial que incida sobreéstas. Su principal componente es el silicio (Si). Uno de los empleos

más generalizados en todo el mundo de las celdas voltaicas es en el

encendido automático de las luces del alumbrado público en las

ciudades



6.3 Tipos de corrosión



La corrosión es el enemigo natural de losmetales. Los aceros comunes reaccionan con elmedio ambiente, formando una capa superficialde óxido de hierro. Esta capa es extremadamente

porosa y permite una oxidación continua delacero, produciendo la corrosión, conocidacomúnmente como herrumbre.



Oxidación lenta La que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua

o aire, causando su corrosión y pérdida de brillo y otraspropiedades características de los metales, desprendiendocantidades de calor inapreciables; al fundir un metal seacelera la oxidación, pero el calor proviene principalmentede la fuente que derritió el metal y no del proceso químico(una excepción sería el aluminio en la soldaduraautógena).

Oxidación rápida La que ocurre durante lo que ya sería la combustión,

desprendiendo cantidades apreciables de calor, en formade fuego, y ocurre principalmente en substancias que

contienen carbono e hidrógeno, (Hidrocarburos)



Corrosión Química

En la corrosión química un material se disuelve enun medio corrosivo líquido y este se seguirádisolviendo hasta que se consuma totalmente o se

sature el líquido. Las aleaciones base cobre desarrollan una barniz

verde a causa de la formación de carbonato ehidróxidos de cobre, esta es la razón por la cual la

Estatua de la Libertad se ve con ese color verduzco.



Ataque por Metal Líquido

Los metales líquidos atacan a los sólidos en suspuntos más altos de energía como los límites degranos lo cual a la larga generará grietas.



Lixiviación selectiva

Consiste en separar sólidos de una aleación. Lacorrosión grafítica del hierro fundido gris ocurrecuando el hierro se diluye selectivamente en agua o

la tierra y desprende cascarillas de grafito y unproducto de la corrosión, lo cual causa fugas ofallas en la tubería.



cerámico

Pueden ser disueltos los materiales cerámicos

refractarios que se utilizan para contener elmetal fundido durante la fusión y el refinadopor las escorias provocadas sobre la superficiedel metal.



Ataque Químico a los Polímeros

Los plásticos son considerados resistentes a lacorrosión, por ejemplo el Teflón y el Vitón sonalgunos de los materiales más resistentes, estos

resisten muchos ácidos , bases y líquidos orgánicospero existen algunos solventes agresivos a lostermoplásticos , es decir las moléculas del solventemás pequeñas separan las cadenas de los plásticos

provocando hinchazón que ocasiona grietas.



Corrosión electroquímica o polarizada

La corrosión electroquímica se establece cuandoen una misma superficie metálica ocurre unadiferencia de potencial en zonas muy próximas

entre sí en donde se establece una migraciónelectrónica desde aquella en que se verifica elpotencial de oxidación más elevado, llamado áreaanódica hacia aquella donde se verifica el potencial

de oxidación más bajo, llamado área catódica.



Celdas de composición

Se presentan cuando dos metales o aleaciones , tales el caso de cobre y hierro forma una celdaelectrolítica. Con el efecto de polarización de los

elementos aleados y las concentraciones delelectrolito las series fem quizá no nos digan queregión se corroerá y cual quedara protegida.



Celdas de esfuerzo

La corrosión por esfuerzo se presenta por accióngalvaniza pero puede suceder por la filtración deimpurezas en el extremo de una grieta existente.

La falla se presenta como resultado de la corrosión y de un esfuerzo aplicado, a mayores esfuerzos eltiempo necesario para la falla se reduce.



Corrosión por oxígeno

Este tipo de corrosión ocurre generalmente ensuperficies expuestas al oxígeno diatómico disueltoen agua o al aire, se ve favorecido por altas

temperaturas y presión elevada ( ejemplo: calderasde vapor). La corrosión en las máquinas térmicas(calderas de vapor) representa una constantepérdida de rendimiento y vida útil de la

instalación.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno_diat%C3%B3mico

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno_diat%C3%B3mico



Corrosión microbiológica

Es uno de los tipos de corrosión electroquímica. Algunos microorganismos son capaces de causarcorrosión en las superficies metálicas sumergidas.

Se han identificado algunas especies hidrógeno-dependientes que usan el hidrógeno disuelto delagua en sus procesos metabólicos provocando unadiferencia de potencial del medio circundante. Su

acción está asociada al pitting (picado) del oxígenoo la presencia de ácido sulfhídrico en el medio. Eneste caso se clasifican las ferro bacterias.

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ferrobacterias&action=edit&redlink=1

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Corrosión por presiones parciales deoxígeno

El oxígeno presente en una tubería por ejemplo, estáexpuesto a diferentes presiones parciales del mismo. Esdecir una superficie es más aireada que otra próxima aella y se forma una pila. El área sujeta a menor

aireación (menor presión parcial) actúa como ánodo y la que tiene mayor presencia de oxígeno (mayorpresión) actúa como un cátodo y se establece lamigración de electrones, formándose óxido en una y

reduciéndose en la otra parte de la pila. Este tipo decorrosión es común en superficies muy irregularesdonde se producen obturaciones de oxígeno.



Corrosión galvánica

Es la más común de todas y se establece cuandodos metales distintos entre sí actúan como ánodouno de ellos y el otro como cátodo. Aquel quetenga el potencial de reducción más negativo

procederá como una oxidación y viceversa aquelmetal o especie química que exhiba un potencialde reducción más positivo procederá como unareducción. Este par de metales constituye la

llamada pila galvánica. En donde la especie que seoxida (ánodo) cede sus electrones y la especie quese reduce (cátodo) acepta los electrones.

http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_de_reducci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_galv%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_galv%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_de_reducci%C3%B3n



diferenciada

Este tipo de corrosión se verifica principalmenteen calderas de vapor, en donde la superficiemetálica expuesta a diferentes concentracionessalinas forman a ratos una pila galvánica en dondela superficie expuesta a la menor concentraciónsalina se comporta como un ánodo.



material

Se produce en aleaciones metálicas, porimperfecciones en la aleación



Corrosión por aireación superficial

También llamado Efecto Evans. Se produce en

superficies planas, en sitios húmedos y consuciedad. El depósito de suciedad provoca enpresencia de humedad la existencia de un entornomás electronegativamente cargado.



Corrosión intergranular:

Se produce en los límites de los granos de unaaleación o metal. Cuando es fuerte presenta unaperdida de resistencia y de dùctibilidad delmaterial.

http://www.monografias.com/trabajos6/lide/lide.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

http://www.monografias.com/trabajos6/lide/lide.shtml



Por picaduras:

Se produce en zonas muy localizadas de unasuperficie metálica y da como resultado eldesarrollo de cavidades y agujeros. La utilizaciónde inhibidores resulta muy útil para evitar este tipode corrosión.

http://www.monografias.com/trabajos12/desorgan/desorgan.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/desorgan/desorgan.shtml



Por esfuerzo:

Se refiere a las tensiones internas luego de unadeformación en frio. Es posible q ocurra debido alcloruro en el acero inoxidables ausenticos cuandolos cloruros se concentran en la superficie metálicaa una temperatura aproximada a 60ºC o mayor.

http://www.monografias.com/trabajos10/hidra/hidra.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/hidra/hidra.shtml



Corrosión por fatiga:

Es una reducción de la capacidad de un metal parasoportar esfuerzos cíclicos o repetidos, los cualesproducen la rotura de las películas de protecciónde óxidos que evitan la corrosión con una mayorrapidez. Tiene como consecuencia la formaciónanódica en los puntos de rotura; esas zonasproducen además picaduras que sirven como

punto de concentración del esfuerzo para el origende grietas que provocan fallos finales.



Por fricción:

es la que se produce por el movimiento relativamente pequeño (como una vibración) de 2sustancias en contacto, de las que una o ambas sonmetales. Este movimiento genera una serie depicaduras en la superficie del metal, las que sonocultadas por los productos de la corrosión y sóloson visibles cuando ésta es removida.

http://www.monografias.com/trabajos15/kinesiologia-biomecanica/kinesiologia-biomecanica.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/elproduc/elproduc.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/elproduc/elproduc.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/kinesiologia-biomecanica/kinesiologia-biomecanica.shtml



6.4 Protección contra lacorrosión



Diseño

El diseño de las estructuras del metal, estas

pueden retrasar o incluso eliminar la corrosión.

Recubrimientos

Estos son usados para aislar las regiones anódicasy catódicas e impiden la difusión del oxígeno odel vapor de agua las cuales son una gran fuenteque iniciar la corrosión o la oxidación.



Elección del material

La primera idea es escoger todo un material queno se corroa en el ambiente considerado. Se

pueden utilizar aceros inoxidables, aluminios,cerámicas, polímeros (plásticos), FRP, etc. Laelección también debe tomar en cuenta lasrestricciones de la aplicación (masa de la pieza,resistencia a la deformación, al calor, capacidad

de conducir la electricidad, etc.).Cabe recordar que no existen materiales absolutamenteinoxidables; hasta el aluminio se puede corroer. Enla concepción, hay que evitar las zonas deconfinamiento, los contactos entre materiales

diferentes y las heterogeneidades en general. Hayque prever también la importancia de la corrosióny el tiempo en el que habrá que cambiar la pieza(mantenimiento preventivo).

Dominio del ambiente



Dominio del ambiente

Cuando se trabaja en ambiente cerrado (por ejemplo, un circuito cerrado de agua), se puedendominar los parámetros que influyen en lacorrosión; composición química (particularmentela acidez), temperatura, presión... Se puedeagregar productos llamados "inhibidores decorrosión". Un inhibidor de corrosión es unasustancia que, añadida a un determinado medio,reduce de manera significativa la velocidad decorrosión. Las sustancias utilizadas dependentanto del metal a proteger como del medio, y uninhibidor que funciona bien en un determinado

sistema puede incluso acelerar la corrosión enotro sistema. Sin embargo, este tipo de solución esinaplicable cuando se trabaja en medio abierto(atmósfera, mar, cuenca en contacto con elmedio natural, circuito abierto, etc.)

Inhibidores de la corrosión



Inhibidores de la corrosión

Es el traslado de los productos químico que seagrega a una solución electrolítica hacia lasuperficie del ánodo o del cátodo lo cualproduce polarización. Los inhibidores de corrosión,son productos que actúan ya sea formandopelículas sobre la superficie metálica, tales comolos molibdatos, fosfatos o etanolaminas, o bienentregando sus electrones al medio. Por logeneral los inhibidores de este tipo son azolesmodificados que actúan sinérgicamente conotros inhibidores tales como nitritos, fosfatos ysilicatos. La química de los inhibidores no está del

todo desarrollada aún. Su uso es en el campo delos sistemas de enfriamiento o disipadores de calor tales como los radiadores, torres de enfriamiento,calderas y "chillers".



El uso de las etanolaminas es típico en losalgunos combustibles para proteger los sistemasde contención (como tuberías y tanques).Y

además la inhalación es mala para lospulmones Se han realizado muchos trabajosacerca de inhibidores de corrosión comoalternativas viables para reducir la velocidad dela corrosión en la industria. Extensos estudiossobre IC y sobre factores que gobiernan sueficiencia se han realizado durante los últimos 20años. Los cuales van desde los más simples quefueron a prueba y error y hasta los más

modernos los cuales proponen la selección delinhibidor por medio de cálculos teóricos.



El nombre de "oxidación" proviene de que en la mayoría de estas

reacciones, la transferencia de electrones se da mediante la adquisiciónde átomos de oxígeno (cesión de electrones) o viceversa. Sin embargo, laoxidación y la reducción puede darse sin que haya intercambio de oxígenode por medio, por ejemplo, la oxidación de yoduro de sodio a yodo

mediante la reducción de cloro a cloruro de sodio: 2NaI + Cl2 → I2 + 2NaCl

Esta puede desglosarse en sus dos hemireacciones correspondientes:

2 I-1 ←→ I2 + 2 e-

Cl2 + 2 e- ←→ 2 Cl-1

En estas dos ecuaciones queda explícita la transferencia de electrones. Sise suman las dos ecuaciones anteriores, se obtiene la primera.



La oxidación es una reacción química donde unmetal o un no metal cede electrones, y por tanto

aumenta su estado de oxidación. La reacciónquímica opuesta a la oxidación se conoce comoreducción, es decir cuando una especie químicaacepta electrones. Estas dos reacciones siempre sedan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida,

siempre es por la acción de otra que se reduce. Unacede electrones y la otra los acepta. Por esta razón,se prefiere el término general de reacciones redox.La propia vida es un fenómeno redox. El oxígeno esel mejor oxidante que existe debido a que la

molécula es poco reactiva (por su doble enlace) ysin embargo es muy electronegativo, casi como elflúor.



La sustancia más oxidante que existe es el catión KrF+ porque fácilmente

forma Kr y F+. Entre varias sustancias con el mismo estado de oxidación; la

capacidad oxidante difiere grandemente según el ligante Así el -CF3 tiene

una electronegatividad (el C) similar a la del cloro (3,1) mucho mayor quepor ejemplo -CBr3, aunque ambos tengan el mismo número de oxidación.

Las propiedades del HBrO3 son muy diferentes a la del BrF5 éste último es

mucho más oxidante aunque ambos tengan la misma valencia.

Si el elemento está como grupo neutro o estado catiónico: KrF2 tiene una

EN menor que el KrF+ aunque formalmente tengan el mismo número de

oxidación. Así el MnF3 el MnF4(-1) y el MnF2(+1) todos con el mismonúmero de oxidación tienen EN diferentes.



Las sustancias oxidantes más usuales son el

permanganato potásico (KMnO4), el dicromato de

potasio (K2Cr2O7), el agua oxigenada (H2O2), el ácido

nítrico (HNO3), los hipohalitos y los halatos (por

ejemplo el hipoclorito sódico (NaClO) muy oxidante en

medio alcalino y el bromato potásico (KBrO3)). El ozono

(O3) es un oxidante muy enérgico:

Br(-1) + O3 = BrO3(-1)



El nombre de "oxidación" proviene de que en la mayoría de estas

reacciones, la transferencia de electrones se da mediante la adquisición

de átomos de oxígeno (cesión de electrones) o viceversa. Sin embargo,

la oxidación y la reducción puede darse sin que haya intercambio de

oxígeno de por medio, por ejemplo, la oxidación de yoduro de sodio a

yodo mediante la reducción de cloro a cloruro de sodio:

2NaI + Cl2 → I2 + 2NaCl

Esta puede desglosarse en sus dos hemireacciones correspondientes:

2 I-1 ←→ I2 + 2 e-

Cl2 + 2 e- ←→ 2 Cl-1

En estas dos ecuaciones queda explícita la transferencia de electrones.

Si se suman las dos ecuaciones anteriores, se obtiene la primera.

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