Universidad Simón Bolívar
Curso MT-1113
Ciencia de los Materiales
Introducción y TEMA 1
Introducción del Curso
Relevancia del Curso
Temario. Cronograma y Evaluaciones.
TEMA 1: Importancia de la Ciencia e Ingeniería de los materiales, aspectos introductorios.
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Introducción del Curso
Horas de dedicación
T: 4 / P: 1
UC: 3
Requisitos Previos QM-1121 / MC-2111
Objetivos
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Importancia del Curso
¿Por qué estudiar Ciencia de los Materiales e
Ingeniería de los Materiales?
Elección de un material adecuado.
Criterios :
1. Condiciones de servicio, las mismas dictarán las propiedades requeridas del
material.
2. Deterioro de las propiedades durante el servicio.
3. Razones económicas.
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TEMARIO
TEMA 1: Introducción a la Ciencia de los Materiales
Importancia de la Ciencia e Ingeniería de Materiales
Clasificación de los Materiales y sus principales Características
TEMA 2: Enlaces Atómicos y Propiedades
Estructura atómica
Tipos de enlace
Propiedades de los materiales relacionadas con los enlaces
atómicos
Estructuras Cristalinas. Sólidos no cristalinos. Índices de Miller:
direcciones y planos en Sistemas Cúbicos. Factor de
empaquetamiento y densidad de los materiales.
Defectos en sólidos cristalinos. Puntuales, Lineales y Superficiales.
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TEMARIO
TEMA 3: Diagramas de Fase.
Solidificación. Fundamentos básicos. Definición de grano y borde de
grano.
Solubilidad sólida. Reglas de Hume-Rothery.
Curvas de enfriamiento (Temperatura vs. Tiempo). Diagramas
Isomorfo.
Información obtenida en los diagramas de fase. Regla de la Palanca
Estructura y Propiedades
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TEMARIO
TEMA 4: Aleaciones Metálicas.
Aleaciones Ferrosas y No Ferrosas.
Aleaciones hierro-carbono.
Diagrama de fase de Hierro-Cementita. Reacciones invariantes
aceros y fundiciones.
Tratamientos térmicos de los aceros: recocido, normalizado, temple
y revenido.
Curvas de transformación isotérmica.
Templabilidad y sus medidas.
Tratamientos superficiales. Difusión y Leyes de Fick. Carburización.
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TEMARIO
TEMA 5: Propiedades Mecánicas de los Materiales.
Deformación elástica y plástica. Mecanismos de deformación
(deslizamiento).
Mecanismos de endurecimiento: endurecimiento por deformación,
por solución sólida, por refinamiento de grano y por precipitación.
Trabajo en frío, recocido de alivio de tensiones y recocido de
recristalización.
Trabajo en caliente Deformación
Ensayo de Impacto y la tenacidad a la fractura.
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TEMARIO
TEMA 6: Fallas en Materiales.
Termofluencia.
Condiciones de ocurrencia.
Curvas vs. t. Etapas de una curva de termofluencia.
Uso de datos de termofluencia.
Fatiga.
Identificación de la falla.
Curvas S-N. Límite de fatiga.
Control de la fatiga.
Corrosión.
Conceptos básicos. Tipos.
Corrosión electroquímica. Pilas galvánicas.
Indicadores de corrosión.
Control y prevención.
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Cronograma y Evaluaciones
Información del curso y medio de comunicación
estudiante-profesor a través del “aula virtual” de la
USB: www.asignaturas.usb.ve
Curso: Materiales MT-1113 ABR-JUL 2011.
Evaluación:
Tres exámenes parciales 90%
Proyecto Final 10%
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TEMA 1
Introducción a la Ciencia de los Materiales
Importancia de la Ciencia e Ingeniería de Materiales
Clasificación de los Materiales y sus principales
Características
La selección de materiales en el diseño
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Ciencia e Ingeniería de los Materiales
“Ciencia de Materiales”
Investigación entre las estructuras y
propiedades de los materiales “Ingeniería de Materiales”
Parte de la estructura y propiedades y
el diseño.
Propiedades
Estructura Procesamiento
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Estructura
Disposición de sus componentes internos.
Estructura electrónica (subatómico)
Estructura atómica (nivel molecular, composición química)
Microestructura (grupos de átomos que forman aglomerados, se observa con el microscopio)
Macroestructura (se puede observar con el ojo desnudo)
Nanoestructura (estructura en la escala de los nanómetros)
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Propiedad
Característica del material en términos de la magnitud de respuesta a un estímulo específico impuesto.
Mecánicas (Módulo de elasticidad, resistencia)
Térmicas (Capacidad calorífica y conductividad térmica)
Eléctricas (Conductividad eléctrica y constante dieléctrica)
Magnéticas (Respuesta al campo magnético)
Ópticas(Índice de refracción , reflectividad)
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Material Tipo
Composición
Estructura
Síntesis /Procesamiento
Comportamiento
Propiedades Mecánicas (Respuesta ante una fuerza
mecánica, resistencia, rigidez, ductilidad, impacto,
resistencia a la fatiga, termofluencia, desgaste)
Propiedades Físicas ( Comportamiento eléctrico, óptico,
químico)
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Clasificación de los materiales
Metálicos
Cerámicos
Polímeros
Compuestos
Semiconductores
Biomateriales
Nanoingeniería
Composición y estructura átomica.
Aplicaciones ingenieriles y materiales avanzados
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Familia de materiales
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Ejemplos de cada familia de material
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Diversos Tipos de Materiales
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Procesado de Materiales
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Universidad Simón Bolívar
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Selección de materiales
Aplicación dada → Determinar las propiedades
requeridas: mecánicas, eléctricas, térmicas,
magnéticas, ópticas, resistencia a la corrosión, etc.
Propiedades → Seleccionar materiales
candidatos: estructura, composición
Material → Seleccionar procesamiento requerido
Procesamiento: Cambio de estructura y de forma.
Ejemplo: fundición, sinterizado, deposición por vapor,
dopado, conformado, soldadura, tratamiento térmico, etc.
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Ciencia de Materiales MT1113
Ciencia e Ingeniería de los Materiales
• Composición: elementos que componen al material.
• Estructura: ¿Cómo estas organizados estos elementos?, átomos,
grupos de átomos, fases, distribución de precipitados, partículas.
• Propiedades: Características de los materiales como respuesta a una
acción física y/o química.
• Desempeño (comportamiento): ¿Cómo responde el material en un
entorno de aplicación dada?
• Procesamiento: Técnicas de transformación de la materia prima en un
producto elaborado o semi-elaborado.
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Ciencia de Materiales MT1113
Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Propiedades Mecánicas: deformación a una carga o fuerza
aplicada
Eléctricas: conductividad eléctrica, constante dieléctrica, sensibilidad a campos eléctricos
Térmicas: capacidad calorífica, conductividad térmica
Magnéticas: respuestas a campos magnéticos
Ópticas: refracción, reflectividad
Deteriorativas: reactividad química
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Aleaciones Metálicas
Aleaciones de Hierro, Aluminio, Cobre, Níquel Titanio
y.
Clasificación General
Aplicaciones
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Metales
Incluyen el acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre y níquel)
Elementos puros o combinación de elementos metálicos (aleaciones)
Enlace metálico
Propiedades:
Buenos conductores eléctricos
Buenos conductores térmicos
Apariencia brillante - No transparentes
Fuertes - resistentes
Deformables
Algunos magnéticos
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Metales
ELEMENTOS SOMBREADOS: CONSTITUYEN LA BASE DE LAS DIVERSAS ALEACIONES PARA INGENIERIA, INCLUYENDO HIERROS Y ACEROS, ALEACIONES DE ALUMINIO, LAS DE MAGNESIO, LAS DE TITANIO, LAS DE NIQUEL.
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Aleaciones de Hierro
Se basan en aleaciones de hierro y carbono. Incluyen
los aceros bajo carbono, aceros aleados y de
herramientas y aceros inoxidables y los hierros fundidos.
Producción de acero
El carbono del coque
reduce el oxido de hierro
en hierro líquido,
produciendo monóxido de
carbono y bióxido de
carbono. La piedra caliza
forma la escoria que
elimina las impurezas,
luego al hierro líquido se le
inyecta oxigeno eliminando
carbono excedente
produciendo acero líquido.
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Clasificaciones
AISI American iron and steel Institute
SAE Society of Automotive Engineers
Aceros al Carbono
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Clasificaciones
Aceros de baja aleación y alta resistencia (HSLA):
Aceros al bajo carbono que contienen pequeñas cantidades de
elementos de aleación. Estos presentan un procesamiento
cuidadoso que permiten la precipitación de carburos y nitruros
de V y Ti entre otros, que permiten un endurecimiento por
dispersión y un tamaño de grano fino.
Aceros inoxidables:
Contienen un mínimo de 12% Cr, lo que permite la formación de
una capa de oxido de cromo al exponerlo al oxígeno.
Aceros ferríticos contienen hasta 30%Cr y menos de 0,12% C
Aceros martensíticos 17%Cr y 0,5% C son tratados a 1200C y
templados en aceite para formar martensita luego revenidos.
Aceros austeníticos Mas de un 17% Cr y menos del 0,1% C.
Aceros Especiales
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Clasificaciones
Aceros para herramienta : Aceros con alto contenido de carbono y tratados
térmicamente.
Aceros inoxidables endurecidos por precipitación (PH): Estos aceros
contienen Al, Nb o Ta y deben sus propiedades a los endurecimientos por
solución sólida, por deformación, por envejecimiento y por transformación
martensítica.
Aceros inoxidables dúplex: Aceros con una mezcla de fases equivalentes al
50% de ferrita y de austenita.
Aceros Especiales
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Clasificaciones
Ma
rten
sític
o
Tipo C Mn Si Cr Ni P S Otros
AISI 403 0.15 1.00 0.50 11.5-13.0 -- 0.04 0.03 --
AISI 422 0.20-0.25 1.00 0.75 11.0-13.0 0.5-1.0 0.025 0.025 1Mo,1.25W,V
AISI 440 0.95-1.20 1.00 1.00 16.0-18.0 -- 0.04 0.03 0.75Mo
CA-40 0.20-0.40 1.00 1.50 11.5-14.0 1.0 0.04 0.03 0.5Mo
Fe
rrítico
AISI 405 0.08 1.00 1.00 11.5-14.5 -- 0.04 0.03 0.10 Al
AISI 430 0.12 1.00 1.00 16.0-18.0 -- 0.04 0.03 --
AISI 446 0.20 1.50 1.00 23.0-27.0 -- 0.04 0.03 0.25N
CB-30 0.30 1.50 1.00 18.0-21.0 2.0 0.04 0.04 --
Au
ste
nític
o
AISI 201 0.15 5.5-7.5 1.00 16.0-18.0 3.5-5.5 0.06 0.03 0.25N
AISI 202 0.15 7.5-10.0 1.00 17.0-19.0 4.0-6.0 0.06 0.03 0.25N
AISI 304 0.08 2.00 1.00 18.0-20.0 8.0-10.5 0.045 0.03 --
AISI 316 0.08 2.00 1.00 16.0-18.0 10.0-14.0 0.045 0.03 2-3Mo
AISI 316L 0.03 2.0 1.0 16.0-18.0 10.0-14.0 0.045 0.03 2-3Mo
CF-3M 0.03 -- 1.5 17.0-21.0 9.0-13.0 -- -- 2-3Mo
En
du
recid
o
po
r Pre
cip
.
17-4PH 0.04 0.30 0.60 16.0 4.2 -- -- Cu, Nb
PH13-8Mo 0.04 0.03 0.03 12.7 8.2 2.2Mo
PH15-7Mo 0.07 0.50 0.30 15.2 7.1 -- -- 2.2Mo
A-286 0.05 0.50 0.50 14.75 25 -- -- Mo, Al
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Clasificaciones
Aleaciones hierro
carbono silicio que
tienen 2 a 4% C y
de 0,5 a 3% Si y
que durante su
solidificación
experimentan
reacción eutéctica.
Hierros fundidos
Fundición Gris Contiene grafito en
forma de hojuelas que causan baja
resistencia y ductilidad.
Fundición Blanco Es una aleación dura
y frágil con cantidades de Fe3C.
Fundición Maleable Es tratada
térmicamente con el fin de producir
nódulos de grafito.
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Aleaciones No Ferrosas
Aluminio
Posee una densidad de 2,70 g/cm3.
Una buena relación resistencia-peso.
Alta conductividad térmica y eléctrica.
No magnético
Excelente resistencia a la corrosión y a la oxidación.
No trabaja a temperaturas elevadas.
Su utilización abarca la industria aeronáutica y
automotriz.
Sistema de Clasificación
Propiedades del aluminio
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Aleaciones No Ferrosas
Propiedades Mecánicas de las aleaciones de
aluminio
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Aleaciones No Ferrosas
Aleaciones de Cobre
Límite elástico alto. Alta ductilidad.
Resistencia mecánica menor que la del aluminio.
Posee una menor resistencia a la fatiga, a la termofluencia y al desgaste.
La mayoría presentan una excelente ductilidad y resistencia a la corrosión.
Buena soldabilidad
Su aplicación incluye alambres, bombas, válvulas componentes de plomería y
aplicaciones eléctricas.
Propiedades Mecánicas de las aleaciones de cobre
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Aleaciones No Ferrosas
Níquel y Cobalto
Se utilizan para la protección contra la
corrosión y tolerancias a altas temperaturas.
El níquel posee buena conformabilidad .
Las aleaciones de Cu-Ni (Monel) ofrecen
una alta resistencia a la corrosión
particularmente en agua salada y a
temperaturas elevadas.
Otras aleaciones de Ni presentan un
comportamiento ferromagnético.
Las aleaciones de cobalto ofrecen
excelentes resistencia al desgaste.
Entre algunas aplicaciones se destacan
aletas y aspas de motores y turbinas,
intercambiadores de calor, partes de
recipientes para reacciones químicas entre
otros.
Composiciones, propiedades y aplicaciones del níquel y
cobalto.
Universidad Simón Bolívar Aleaciones No Ferrosas
Titanio
Posee una alta resistencia a la
corrosión.
Resistencia mecánica especifica
alta y buenas propiedades a altas
tempertauras.
Una pelicula de TiO2 proporciona
por debajo de 535ºC excelente
resistencia a la corrosión.
Entre algunas aplicaciones
destacan los equipos de
procesamiento químico y
componentes marinos e implantes
biomédicos.
Composiciones y propiedades del Titanio
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Cerámicos
Ladrillo, Vidrio, Porcelana, Refractarios y Abrasivos.
Compuestos entre elementos metálicos y no metálicos
Enlaces iónicos o covalentes
Propiedades:
Duros
Frágiles
Aislantes eléctricos (Baja conductividad Eléctrica)
Pobres conductores térmicos
Pueden ser transparentes u opacos
Resistencia al calor
Resistentes a la corrosión
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Cerámicos
ELEMENTOS METALICOS (SOMBREADO
CLARO) CON ELEMENTOS NO
METALICOS (SOMBREADO OSCURO)
EL OXIDO DE ALUMINIO (AL2O3) ES CARACTERISTICOS DE LA FAMILIA DE LOS MATERIALES CERAMICOS, EL
OXIDO PRESENTA LA VENTAJA:
EL AL2O3 ES QUIMICAMENTE ESTABLE EN UNA VARIEDAD DE AMBIENTES SEVEROS.
TIENE UNA TEMPERATURA DE FUSION SIGNIFICATIVAMENTE MAYOR 2020 C QUE EL ALUMINIO
METALICO C DUCTILIDAD: CAPACIDAD DE DEFORMACION PERMANENTE.
ALTA RESISTENCIA Y ALTA FRAGILIDAD.
OTRO EJEMPLO ES EL OXIDO DE MAGNESIO (MgO) y la Sílice (SiO2) ESTA CONSTITUYEN LOS SILICATOS
QUE INCLUYEN LAS ARCILLAS Y LOS MATERIALES ARCILLOSOS.
EN GENERAL LOS CERAMICOS SON COMPUESTOS QUIMICOS CONSTITUIDOS AL MENOS UN ELEMENTO
METALICO Y UNO DE LOS CINCO ELEMENTOS NO METALICOS (C,N,O,P ,S)
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MATERIALES CERAMICOS: CRISTALINOS
Cerámicos cristalinos incluyen los silicatos
tradicionales y los muchos compuestos
oxídicos y no oxídicos empleados en
tecnologías tradicionales como
avanzadas.
Silicatos Basados en el SiO2 estos
materiales son muy abundantes y forman
parte de la mayoría de las rocas, arenas
y arcillas.
Destacan las:
• Cerámicas Blancas Cerámicos cocidos con una microestructura típicamente blanca y con un tamaño de grano fino. Ejm. Porcelana China.
• Arcilla Ladrillos, tejas.
Composición de algunos silicatos Cerámicos
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MATERIALES CERAMICOS: CRISTALINOS
La alumina Al2 O3 y Magnesia (MgO) Refractario utilizado en la industria del acero.
Óxidos puros con niveles de impureza menores al 1%, se utilizan en la industria electrónica.
Cerámicos de óxidos no silicatos
Composición de algunos silicatos Cerámicos
Paneles de alumina
Ladrillos de alumina
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Cerámicos no óxidos
Han sido materiales corrientes en la industria desde hace varias décadas. Carburo de Silicio (SiC) Utilizados en elementos de hornos de calentamiento y como material abrasivo. Se obtiene de arenas o cuarzo de alta pureza y coke de petróleo fusionados en horno eléctrico a más de 2000 ºC con la siguiente composición:
SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO Carburo de wolframio o carburo de tungsteno es un compuesto por wolframio y carbono. Con composición química de W3C hasta W6C. Se utiliza fundamentalmente, debido a su elevada dureza, en la fabricación de maquinarias y utensilios para trabajar el acero así como también se construyen algunas piezas que requieren elevada resistencia térmica o mecánica, como cojinetes de ejes, etc. También recibe el nombre de Widia.
MATERIALES CERAMICOS: CRISTALINOS
Cerámicos no óxidos
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MATERIALES CERAMICOS: NO CRISTALINOS
Vidrio
El vidrio es un material sólido que se ha endurecido sin cristalizar. El vidrio se obtiene por fusión a unos 1.500 ºC de arena de sílice (SiO2 ) y carbonato de sodio (Na2 CO 3) y caliza (Ca CO 3). El sustantivo cristal es utilizado muy frecuentemente como sinónimo de vidrio, aunque es incorrecto debido a que el vidrio es un sólido amorfo y no un cristal propiamente dicho.
Vitrocerámicas
Materiales más sofisticados, pues combinan la naturaleza de los cerámicos cristalinos y los vidrios. Esta caracterizado por una resistencia al impacto mecánico y al choque térmico muy superior a los cerámicos convencionales (eliminación de poros). Resistencia al choque térmico resultado de los bajos coeficientes de dilatación
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Polímeros
Productos obtenidos del proceso de Polimerización de grandes
estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas, incluyen el hule,
los plásticos y los adhesivos.
Compuestos orgánicos basados en C, H y otros elementos no metálicos
Enlaces covalentes y secundarios
Propiedades:
Baja densidad
No conductores
Bajo punto de fusión
Pueden ser transparentes u opacos
Pueden ser muy flexibles
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Polímeros
ELEMENTOS SOMBREADOS ESTAN ASOCIADOS A LOS PRINCIPALES
POLIMEROS COMERCIALES
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Clasificación de Materiales Poliméricos
Materiales
Orgánicos
o Poliméricos
Orgánicos
Naturales
Polímeros
Sintéticos
Corcho (Aislamiento)
Fibras Naturales (Textiles y Cintas)
Aceites (Lubricación y Comida)
Resinas y Breas (Cubiertas Protectoras)
Termoplásticos
Elastómeros
Termoestables
Construcción
Cubiertas
Empaque
Aislamiento
Textiles
Cintas
Lubricación
Cubiertas Protectoras
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Termoplásticos
Grupo de polímeros amorfos o semicristalinos, capaces de ser reciclados,
están compuestos por largas moléculas lineales o ramificadas unidas
entre si sólo por enlaces secundarios. Los polímeros termoplásticos
suelen ser utilizados en artículos tales como paredes y pisos de plásticos
(cloruro de polivinil y poliestireno), reflectores de luz fluorescentes
(poliestireno), y lentes de plástico (polimetil metacrilato)
Lente de polimetil metacrilato con montura de policarbonato. Cortesía:www.quiminet.com.mx
Teflón
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Elastómeros
Grupo de materiales poliméricos formado por macromoléculas
termoplásticos enlazadas por un pequeño número de puntos de
anclajes. Debido al pequeño número de puntos de anclaje, las
moléculas pueden todavía cambiar apreciablemente su geometría al
someterse a deformación mecánica, recuperando la geometría
original al eliminar la tensión. Ejemplo de elastómeros son el caucho
y el látex.
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Como la estructura polimérica consiste principalmente de enlaces
covalentes, este grupo de polímeros es mucho más estable
térmicamente y no puede ser blandecidas con la temperatura. Un
ejemplo de los polímeros termoestables es la baquelita. Este tipo de
polímeros es empleado frecuentemente en receptores de teléfonos,
salidas eléctricas, aisladores eléctricos y térmicos.
Termoestables
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MATERIALES COMPUESTOS
Son mezclas de dos o más materiales.
La mayoría de ellos constan de un determinado material de refuerzo o
relleno escogido y una resina compatible de unión con el objeto de
obtener las características específicas y propiedades deseadas. Estos no
se disuelven uno en otro y pueden ser físicamente identificados por una
interfase entre ellos
Alta resistencia a la corrosión.
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TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS
Materiales
Compuestos
reforzados con
fibras
Están compuestos por partículas
de un material duro y frágil
dispersas discreta y
uniformemente, rodeadas por
una matriz más blanda y dúctil
Concreto compuesto particulado
que contienen arena gruesa en
una matriz de cemento
Materiales
Compuestos
reforzados
con partículas
Uno de los componentes suele ser
una fibra reforzante o fuerte (fibra de
vidrio, cuarzo o fibra de carbono) y el
otro llamado matriz que suele ser una
resina epoxy o poliéster que envuelve
o liga las fibras.
Las fibras proporcionan buenas
propiedades mecánicas y la matriz es
la responsable de las propiedades
físicas y químicas.
Fibra de Vidrio
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TIPOS DE MATERIALES COMPUESTOS
Materiales
Compuestos
estructurales o
laminares
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. Ejemplo madera
contraenchapada.
Otros 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 cauchos sintéticos.
Se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria
aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos
multicapas.
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MATERIALES AVANZADOS
Son materiales tradicionales cuyas propiedades
han sido mejoradas y son más costosos que los
tradicionales.
SEMICONDUCTORES Con propiedades
eléctricas intermedias entre los conductores y
aislantes. Son utilizados en la industria
electrónica y de computación.
BIOMATERIALES Compontes implantados en el
cuerpo humano para el reemplazo de partes de
cuerpos enfermos y dañados, no deben producir
sustancias toxicas y deben ser compatibles con
los tejidos del cuerpo humano.