Erick Yael Alcantar Mares Ingenieria Industrial Código: 214292004

MATERIALES METÁLICOS.Tipo de sustancia:

Los metales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos

metálicos. Pueden también contener algunos elementos no metálicos.

Los elementos metálicos pueden estar formando parte de compuestos orgánicos metálicos.

Clasificación:

Los metales y aleaciones clasifican en ferrosas y no ferrosas, atendiendo a que en su

composición exista Fe o no.

A su vez se subdividen en:

FERROSAS:

Aceros : Contienen entre 0,05-2% de peso en C.

Aceros inoxidables : Requieren aleación de elementos para evitar ser dañados por

ambientes corrosivos.

Hierro fundido : Contenido en Fe superior al 2%. Las propiedades mecánicas son

inferiores.

NO FERROSAS:

Aleaciones de Al, Mg, Ti, Cu, Ni y Zn.

Materiales refractarios.

Metales preciosos.

Estructura cristalina:

Entorno al 90% de los metales cristalizan al solidificar en 3 estructuras cristalinas de

empaquetamiento compacto:

1. BCC (Empaquetamiento cúbico compacto centrado en el cuerpo).

Posee los átomos de la celdilla unidad, en los vértices del cubo y en el centro del

mismo.

El número de átomos es por celdilla unidad. Los átomos contactan entre sí a lo

largo de la diagonal del cubo.

El IC es 8 ya que el átomo central se encuentra rodeado de 8 átomos vecinos.

El factor de empaquetamiento atómico es del 68%, quiere decir que el espacio

ocupado en una celdilla unidad es del 68% y el resto espacio vacío.

2. FCC (Empaquetamiento cúbico compacto centrado en las caras).

Posee los átomos de la celdilla unidad en los vértices y en el centro de cada cara.

El número de átomos por celdilla unidad es 4.

El IC es12. Los átomos contactan a lo largo de la cara.

El factor de empaquetamiento atómico es del 74%, reflejando que los átomos

están lo más compacto posible.

Contactan a lo largo de la diagonal de la cara.

3. HCP (Empaquetamiento hexagonal compacto). Átomos ocupan los vértices del

hexágono, centro de las caras hexagonales superior e inferior y centro de 3 caras

hexagonales:

El número de átomos por celdilla unidad es 6.

El IC es 12.

El factor de empaquetamiento atómico es de l74%. Empaquetados lo más juntos

posible.

Propiedades:

Tipo de enlace interatómico: metálico conformando estructura cristalina específica

de los metales. El enlace metálico involucra la compartición de todos los electrones

deslocalizados que producen un enlace no direccional. Resistencia aceptable hasta media

temperatura. Buenos conductores del calor y la electricidad. Tenaces y deformables, en

general. Altas densidades.

MECÁNICAS:

Determinan cómo responde el material al aplicarse una fuerza o esfuerzo.

Resistencia: Suelen ser duros y resistentes. La dureza es la resistencia de un metal a

la deformación permanente en su superficie. La resistencia es la tensión máxima

alcanzada en el diagrama de tensión-deformación

Ductibilidad : Son dúctiles y maleables. La ductilidad es considerada una variante

de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poderse estirase

en forma de hilos finos. La maleabilidad es la posibilidad de cambiar de forma por

la acción del martillo, quiere decirse que puede batirse o extenderse en forma de

planchas o láminas.

Impacto : Resistencia a ser rayados y a la rotura.

FÍSICAS:

Dependen de la estructura y procesamiento del material, describen características como,

conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no

se alteran por fuerzas que actúan sobre el material.

Punto de fusión: Todos son sólidos son sólidos a T° ambiente, (excepto el Hg), el

punto de fusión varia y todos los metales se dilatan con el calor y se contraen al

enfriarse.

Conductividad térmica y eléctrica: Los metales son, en general, buenos conductores

eléctricos y térmicos, ya que el empaquetamiento es muy compacto, se transmite de

unos átomos a otros. Con impurezas se reduce la conductividad térmica y también

eléctrica, porque disminuye la eficiencia del movimiento de los electrones.

Propiedades ópticas: Viene determinadas por la interacción entre el material y la

radiación en forma de ondas o partículas. Al interaccionar la radiación con la

estructura electrónica o cristalina de los metales crean varios efectos ópticos. Los

metales reflejan y/o absorben fuertemente la radiación incidente desde λ larga hasta

mitad de la región del UV-Visible. La cantidad de energía absorbida depende de la

estructura electrónica de cada metal. Los metales son opacos y tienen alta

reflectancia. La mayoría son de color grisáceo, pero algunos son de colores

distintos como el Bi que es rosáceo, Cu rojizo y Au amarillo.

Propiedades magnéticas: El comportamiento magnético está condicionado por los

dipolos que están dados por la estructura electrónica del metal, por lo que al

cambiar la microestructura cambia las propiedades. Son ferromagnéticos, debido a

que los niveles de electrones están parcialmente ocupados por los dipolos que al

aplicar un campo magnético se alinean en la misma dirección de éste. Se mejoran

estas propiedades introduciendo defectos en la microestructura.

Aplicaciones.

Las aplicaciones de los metales son innumerables. La principal aplicación se centra

en el ámbito de la construcción, son útiles en aplicaciones estructurales donde deben

soportar cargas. También en la electricidad, porque los metales son conductores y permiten

el paso de la corriente a través de ellos, son capaces de soportar tensiones eléctricas

importantes; sin ella no habría luz. Uno de los materiales más utilizados es el Cu. En los

medios de comunicación y sistemas industriales, la mayoría de los aparatos modernos y

equipos que son fabricados con diferentes metales y aleaciones. Como hemos podido

apreciar a lo largo del trabajo los metales juegan un rol muy importante en nuestras vidas

ya que si nos ponemos a pensar muchas de las cosas que nos rodean y utilizamos

diariamente, están fabricadas de metal o son aleaciones.

Los materiales cerámicos.

La industria cerámica es la industria más antigua de la humanidad. Se entiende por

material cerámico al producto de diversas materias primas, especialmente arcillas, que se

fabrican en forma de polvo o pasta y que al someterlo a cocción sufre procesos físico-

químicos por los que adquiere consistencia pétrea. Dicho de otro modo, son materiales

sólidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmico. Todos ellos se

obtienen al hornear materiales naturales, como la arcilla o el caolín, junto con una serie de

aditivos, como colorantes, desengrasantes, etc., todo ello mezclado y cocido en un horno

sucesivas veces.

Propiedades generales.

Comparados con los metales y plásticos son duros, no combustibles y no oxidables.

Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas

cortantes de herramientas. Gran resistencia a altas temperaturas, con gran poder de

aislamiento térmico  y, también, eléctrico. Gran resistencia a la corrosión y a los efectos de

la erosión que causan los agentes atmosféricos. Alta resistencia a casi todos los agentes

químicos. Una característica fundamental es que pueden fabricarse en formas con

dimensiones determinadas Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos.

Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad.

Clasificación.

Dependiendo de la naturaleza y tratamiento de las materias primas y del proceso de

cocción, se distinguen dos grandes grupos de materiales cerámicos:

1. Materiales cerámicos porosos o gruesos: No han sufrido vitrificación, es decir, no

se llega a fundir el cuarzo con la arena debido a que la temperatura del horno es

baja. Su fractura (al romperse) es terrosa, siendo totalmente permeables a los

gases, líquidos y grasas. Los más importantes:

o Arcilla cocida:  De color rojizo debido al óxido de hierro de las arcillas

empleadas. La temperatura de cocción es de unos 800ºC. A veces, la pieza se

recubre con esmalte de color blanco (óxido de estaño) y se denomina loza

estannífera. Con ella se fabrican: baldosas, ladrillos, tejas, etc.

o Loza   italiana:  Se fabrica con arcilla entre amarilla-rojiza mezclada con arena,

pudiendo recubrirse de barniz transparente. La temperatura de cocción ronda

los 1000ºC. Se emplea para fabricar vajillas baratas, adornos, tiestos....

o Loza inglesa : Fabricada de arcilla arenosa a la cual se le ha eliminado el óxido

de hierro y se le ha añadido sílex, yeso, feldespato (bajando el punto de fusión

de la mezcla) y caolín para mejorar la blancura de la pasta. Se emplea para

vajilla y objetos de decoración. La cocción se realiza en dos fases: 

1. Se cuece a unos 1100ºC. tras lo cual se saca del horno y se

recubre con esmalte.

2. Se introduce de nuevo en el horno a la misma temperatura

o Refractarios : Se fabrican a partir de arcillas mezcladas con óxidos de aluminio,

torio, berilio y circonio. La cocción se efectúa entre los 1.300 y los 1.600 °C,

seguidos de enfriamientos muy lentos para evitar agrietamientos y tensiones

internas. Se obtienen productos que pueden resistir temperaturas de hasta

3.000 °C. Las aplicaciones más usuales son: ladrillos refractarios (que deben

soportar altas temperaturas en los hornos) y electrocerámicas (usados en

automoción, aviación....).

2. Materiales cerámicos impermeables o finos: En los que se someten a

temperaturas suficientemente altas como para vitrificar completamente la arena

de cuarzo. Así, se obtienen productos impermeables y más duros. Los más

importantes son:

o Gres cerámico   común:  obtenido a partir de arcillas ordinarias, sometidas

a temperaturas de unos 1.300 °C. Es muy empleado en pavimentos y

paredes.

o Gres cerámico   fino : Obtenido a partir de arcillas conteniendo óxidos

metálicos a las que se le añade un fundente (feldespato) para bajar el punto

de fusión. Más tarde se introducen en un horno a unos 1.300 °C. Cuando

está a punto de finalizar la cocción, se impregnan los objetos de sal marina

que reacciona con la arcilla formando una fina capa de silicoalunminato

alcalino vitrificado que confiere al gres su vidriado característico. Se emplea

para vajillas, azulejos...

o Porcelana:  obtenido a partir de una arcilla muy pura, caolín, mezclada

con fundente (feldespato) y un desengrasante (cuarzo o sílex). Su cocción se

realiza en dos fases: una a una temperatura de entre 1.000 y 1.300 °C y,

tras aplicarle un esmalte otra a más alta temperatura pudiendo llegar a los

1.800 °C. Teniendo multitud de aplicaciones en el hogar (pilas de cocina,

vajillas, tazas de café, etc.) y en la industria (toberas de reactores, aislantes

en transformadores, etc.).

Procesado de Materiales cerámicos.

Las etapas básicas en la fabricación de productos cerámicos son:

Extracción: obtención de la arcilla, en las canteras, llamadas barrenos, que además

de ser a cielo abierto, suelen situarse en las inmediaciones de la fábrica de arcilla.

Preparación: Consiste en la molienda primero y la mezcla de las diferentes

materias primas que componen el material. La composición variará en función de

las propiedades requeridas por la pieza de cerámica terminada. Las partículas y

otros constituyentes tales como aglutinantes y lubricantes pueden ser mezclados en

seco o húmedo. Para productos cerámicos tales como ladrillos comunes, tuberías

para alcantarillado y otros productos arcillosos, la mezcla de los ingredientes con

agua es una práctica común. Para otros materiales cerámicos, las materias primas

son tierras secas con aglutinantes y otros aditivos. 

Conformación: los métodos de modelado de cerámica que se utilizan más

comúnmente.

o Prensado . La materia prima puede ser prensada en estado seco, plástico o

húmedo, dentro de un troquel para formar productos elaborados 8Ver vídeo

como se fabrican los azulejos más abajo).

o Prensado en seco . este método se usa frecuentemente para productos

refractarios (materiales de alta resistencia térmica) y componentes cerámicos

electrónicos. El prensado en seco se puede definir como la compactación

uniaxial simultánea y la conformación de los polvos granulados con pequeñas

cantidades de agua y/o pegamentos orgánicos en un troquel. Después del

estampado en frío, las partículas son normalmente calentadas (sinterizadas) a

fin de que se consigan la fuerza y las propiedades microestructurales deseadas.

El prensado en seco se utiliza mucho porque permite fabricar una gran variedad

de piezas rápidamente con una uniformidad y tolerancia pequeñas

o Extrusión.  Las secciones transversales sencillas y las formas huecas de los

materiales cerámicos en estado plástico a través de un troquel de embutir.

Secado: Las piezas recién moldeadas se romperían si se sometieran inmediatamente

al proceso de cocción, por lo que es necesario someterlas a una etapa de secado con

el propósito es eliminar el agua antes de ser sometida a altas temperaturas.

Generalmente, la eliminación de agua puede tardar tanto como 24h.

Cocción: al cocer las arcillas a alta temperatura se producen una serie de reacciones

que desembocan en una consistencia pétrea y una durabilidad adecuada para el fin

para el que se destinan. Como se ha dicho antes la temperatura dependerá del tipo

de material.

Los polímeros.

Se definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas

(monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena. La parte básica de un polímero

son los monómeros, unidades químicas que se repiten a lo largo de toda la cadena de un

polímero, por ejemplo el monómero del polietileno es el etileno, el cual se repite x veces a

lo largo de toda la cadena.

Clasificación.

En función de la repetición o variedad de los monómeros, los polímeros se clasifican en:

Homopolímero: Se le denomina así al polímero que está formado por el mismo

monómero a lo largo de toda su cadena, el polietileno, poliestireno o polipropileno

son ejemplos de polímeros pertenecientes a esta familia.

Copolímero: Se le denomina así al polímero que está formado por al menos 2

monómeros diferentes a lo largo de toda su cadena, el ABS o el SBR son ejemplos

pertenecientes a esta familia.

La formación de las cadenas poliméricas se producen mediante las diferentes poli

reacciones que pueden ocurrir entre los monómeros, estas poli reacciones se clasifican en:

Polimerización

Policondensación

Poliadición

En función de cómo se encuentren enlazadas o unidas (enlaces químicos o fuerzas

intermoleculares) y la disposición de las diferentes cadenas que conforma el polímero, los

materiales poliméricos resultantes se clasifican en:

Termoplásticos.

Elastómeros.

Termoestables.

En función de la composición química, los polímeros pueden ser inorgánicos como

por ejemplo el vidrio, o pueden ser orgánicos como por ejemplo los adhesivos de resina

epoxi, los polímeros orgánicos se pueden clasificar a su vez en polímeros naturales como

las proteínas y en polímeros sintéticos como los materiales termoestables.

Existen diferentes parámetros que miden las propiedades de los polímeros como el

radio de giro, la densidad del polímero, la distancia media entre las cadenas poliméricas, la

longitud del segmento cuasi-estático dentro de las cadenas poliméricas, etc.

Propiedades.

Definen las propiedades de los polímeros, las más importantes son:

La temperatura de transición vítrea del polímero.

El peso medio molecular del polímero.

La temperatura de transición vítrea determina la temperatura en la cual el polímero

cambia radicalmente sus propiedades mecánicas, cuando la temperatura de transición

vítrea es ligeramente inferior a la temperatura ambiente el polímero se comporta como un

material elástico (elastómero), cuando la temperatura de transición vítrea es superior a la

temperatura ambiente el polímero se comporta como un material rígido (termoestable).

Semiconductores.

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a

la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más

utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del

oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. Estos materiales se

comportan como aislantes a bajas temperaturas pero a temperaturas más altas se comportan

como conductores. La razón de esto es que los electrones de valencia están ligeramente

ligados a sus respectivos núcleos atómicos, pero no lo suficiente, pues al añadir energía

elevando la temperatura son capaces de abandonar el átomo para circular por la red

atómica del material. En cuanto un electrón abandona un átomo, en su lugar deja un hueco

que puede ser ocupado por otro electrón que estaba circulando por la red. Por otra parte,

hay que decir que tales materiales forman también estructura cristalina. Hay que destacar

que, para añadir energía al material semiconductor, además de calor, también se puede

emplear luz.

Teoría de bandas.

Esta teoría explica el comportamiento de los materiales al paso de la corriente desde

una perspectiva más científica. Definimos Banda de Valencia (BV) al conjunto de energía

que poseen los electrones de valencia. Mientras que la Banda de Conducción (BC) como al

conjunto de energía que poseen los electrones para desligarse de sus átomos. Los

electrones que estén en esta banda pueden circular por el material si existe una tensión

eléctrica que los empuje entre dos puntos.

En este caso, la banda de conducción sigue siendo mayor que la banda de valencia,

pero la brecha entre ambas es mucho más pequeña, de modo que, con un incremento

pequeño de energía, los electrones de valencia saltan a la banda de conducción y puede

circular por el medio. Cuando un electrón salta desde la banda de valencia a la de

conducción deja un hueco en la banda de valencia que, aunque parezca extraño, también se

considera portador de corriente eléctrica. En los semiconductores hay dos tipos de

portadores de corriente eléctrica:

1. Los electrones: con carga negativa

2. Los huecos con carga positiva.

A los materiales semiconductores puros se les conoce como semiconductores intrínsecos.

Semiconductores extrínsecos.

Son materiales semiconductores puros contaminados con impurezas en mínimas

proporciones (una partícula entre un millón). A este proceso de contaminación se le

denomina dopaje. Según el tipo de dopaje que se le realice al material existen dos tipos:

Tipo N: En este caso se contamina el material con átomos de valencia 5, como son Fósforo

(P), Arsénico (As) o Antimonio (Sb). Al introducirlos, fuerzo al quinto electrón de este

átomo a vagar por el material semiconductor, pues no encuentra un lugar estable en el que

situarse.

Tipo P: En este caso se contamina el material semiconductor con átomos de valencia 3,

como son Boro (B), Galio (Ga) o Indio (In). Si se introduce este átomo en el material,

queda un hueco donde debería ir un electrón. Este hueco se mueve fácilmente por la

estructura como si fuese un portador de carga positiva. En este caso, los huecos son

portadores mayoritarios.

El Diodo.

El diodo es un componente electrónico que consiste simplemente en la unión de dos

cristales semiconductores extrínsecos, uno tipo N y otro tipo P. Al unirlos, parte del exceso

de electrones del tipo N pasa al cristal tipo P, y parte de los huecos del tipo P pasan al

cristal tipo P. Creándose en la unión una franja llamada zona de transición que tiene un

campo eléctrico que se comporta como una barrera que se opone al paso de más electrones

desde la zona N hacia la zona P y de huecos desde la zona P a la zona N.

Símbolo.

El contacto que se corresponde con el cristal semiconductor tipo P se llama ánodo

(terminal positivo) y se simboliza con un pequeño triángulo y el cristal semiconductor tipo

N se llama cátodo (terminal negativo) y se simboliza con una pequeña línea vertical. Los

diodos vienen forrados de una cápsula de plástico (normalmente negra) y un anillo de color

blanco que indica el cátodo.

Curvas Características.

Cada modelo de diodo que da un fabricante tiene asociada la llamada curva

característica, que mide la intensidad de corriente que atraviesa el diodo en función de la

tensión que hay entre los dos extremos de la misma. La curva presenta dos regiones:

Polarización directa (Tensión positiva): Se conduce con facilidad, ofreciendo

una resistencia mínima al paso de la corriente. Esta tensión a partir de la cual

conduce el diodo en polarización directa se llama tensión umbral.

Polarización inversa (tensión negativa): En este caso, ya se dijo que el diodo no

deja pasar la corriente. En realidad, si la tensión es muy elevada, el diodo si deja

pasar la corriente. Este valor de tensión se llama tensión de ruptura.

Materiales Compuestos.

Aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la

combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos

compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez,

resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o

conductividad. Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes

características:

Están formados de dos 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.

No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como

las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la

composición de las fases presentes.2

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.

Clasificación.

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

1. 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.

Compuestos endurecidos por dispersión.

Compuestos con partículas propiamente dichas.

2. Materiales compuestos endurecidos por dispersión.

El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 i 2500 μ). A temperaturas

normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su

resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la termofluencia

es superior a la de los metales y aleaciones.

Propiedades.

La fase es generalmente un óxido duro y estable.

El agente debe tener propiedades físicas óptimas.

No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.

Deben unirse correctamente los materiales.

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

resistencia a la tracción, mientras que otro componente llamado matriz, que suele ser una

resina como epoxy o poliéster, 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 una matriz.

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.

Están formados tanto por compuestos 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 sándwich.

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 sándwich 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.