UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“SIMÓN RODRÍGUEZ”

NÚCLEO CANOABOINGENIERÍA DE ALIMENTOS

DIBUJO Y ELEMENTOS DE MÁQUINAS

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

ÍNDICE

CAPÍTULO I

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

1-1 Materiales 9

1-2 Historia de los Materiales 9

1-3 Clasificación de los Materiales 10

1-4 Propiedades 14

1-4.1 Propiedades de los materiales 14

1-5 Efecto Ambientales Sobre el Comportamiento de los Materiales 14

1-6 Diseño y Selección de Materiales 16

1-7 Importancia de las Propiedades de los Materiales en la Industria de Alimentos. 17

CAPÍTULO II

ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES

2-1. Estructura Atómica 18

2-1.1 Estructura electrónica (Subatómica) 18

2-1.2 Estructura molecular 19

2-1.3 Estructura Cristalina 19

2-1.4 Microestructura 19

2-1.5 Macro estructuras 19

CAPÍTULO III

ARREGLOS ATÓMICOS E IÓNICOS

3-1 Materiales Amorfos: principios y Aplicaciones Tecnológicas 27

3-2 Sistemas Cristalinos 28

3-2.1 Redes, tipos y celdas unitarias 30

CAPÍTULO V

PROPIEDADES MECÁNICAS

5-1 Deformación (δ) 52

5-1.1 Deformación Unitaria (ε). 52

5-2 Fuerza. 53

5-3 Esfuerzo. 53

5-4 Deformación Unitaria Elástica 53

5-4.1 Deformación plástica 53

5-5 Relación entre el Esfuerzo y la Deformación. 54

5-6 Ensayo de Tensión 56

5-7 Propiedades Obtenidas en el Ensayo de Tensión. 60

5-8 Esfuerzo Real y Deformación Real. 66

5-9 Ensayo de Flexión para Materiales Frágiles. 68

5-10 Ensayo de Dureza. 70

5-10.1 Ensayo de dureza Rockwell 71

5-10.2 Ensayo de dureza Brinell 74

5-10.3 Ensayo de dureza Vickers 75

5-11 Ensayo de Impacto 78

5-11.1 Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto: 80

5-12 Mecánica de la Fractura. 82

5-12.1 Fractura frágil 82

5-12.2 Criterios de fracturas 84

5-12.3 Importancia de la mecánica de la fractura. 84

5-13 Ensayo de Fatiga 85

5-13.1 Aplicación del ensayo de fatiga 86

5-14 Ensayo de Termofluencia. 88

5-14.1 Evaluación del comportamiento de termofluencia. 90

5-14.2 Ascenso de dislocaciones 90

5-14.3 Velocidad de Termofluencia y Tiempos de Rupturas. 91

5-14.4. precauciones para evitar fallas por termofluencia 92

CAPÍTULO VI

PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES.

6-1 Conductores. 93

6-2 Semi-conductores. 93

6-3 Aislantes o Dieléctricos. 93

6-4 Conductividad. 94

6-5 Enlace Iónico. 94

6-6 Enlace Covalente. 94

6-6.1 Punto de fusión. 95

6-6.2 Conductividad. 95

6-7 Conductividad Eléctrica 95

6-8. Conducción en Polímeros 99

6-9 Conductividad en los Cerámicos: Propiedades Dieléctricas. 100

6-10. Teoría de Superconductividad: Materiales Metálicos y Cerámicos 100

6-11. Materiales Metálicos Superconductores 101

6-12. Materiales Cerámicos Superconductores 101

6-13.Polarización y Piezoelectricidad: 102

6-13.1.Metales semiconductores y cerámicos 102

6-13.2.Piezoelectricidad propiedad eléctrica de los cerámicos 103

CAPÍTULO VII

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

7-1Permeabilidad Magnética 104

7-1.1 Diamagnéticos 104

7-1.2Paramagnéticos 105

7-1.3 Ferro magnéticos. 105

7-2. Tipos de Materiales Magnéticos 105

7-3 Aplicaciones del Magnetismo: 106

7-4 Susceptibilidad Magnética 107

CAPÍTULO VIII

PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS MATERIALES

8-1. Propiedades Ópticas 109

8-2 Fenómenos Ópticos. 109

8-2.1 Refracción 110

8-2.2 Reflexión 111

8-2.3 Absorción. 111

8-2.4 Transmisión. 112

8-3 Fenómenos De Emisión. 113

8-3.1 Rayos gamma 113

8-3.2 Rayos X – 113

8-3.3 Luminiscencia 114

8-3.4 Diodos emisores de luz 114

8-3.5 Láser 115

8-3.6 Emisión térmica 115

CAPÍTULO IX

PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

9-1 Capacidad calorífica 117

9-2 Expansión Térmica 118

9-3 La Conductividad Térmica 120

9-4 Transmitancia térmica 122

CAPÍTULO X

PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS MATERIALES

10-1 Oxidación 123

10-1.1.Tipos de oxidación 124

10-2 Corrosión 125

10-2.1 Tipos de corrosión 125

10-2.1.1Electroquímica 126

10-2.1.2.Uniforme 127

10-2.1.3. Galvánica 128

10-2.1.4. Por picadura (Pitting) 128

10-2.1.5. Por fisuras 129

10-2.1.6. Erosión 129

10-2.1.7. Intergranular 130

10-2.1.8. Exfoliación 130

10-.2.1.9. Corrosión bajo tensión 131

10-2.1.10. Por fatiga 131

10-2.1.11. Corrosión por rozamiento 131

10-2.1.12.Ataque por hidrógeno 132

10-2.1.13. Pérdida selectiva 132

10-2.2. Algunos factores que influyen en la corrosión. 132

10-2.3.Métodos de control 133

10-2.4 La Corrosión en la industria y sus procesos. 135

CAPÍTULO XI

PROPIEDADES ELECTRÓNICAS DE LOS MATERIALES

11-1 Dopado de Materiales 137

11-2 Semiconductores de Grupo IV 137

11-3 Tipos de Materiales Dopantes 137

11-3.1 Tipo N 137

11-3.2 Tipo P 138

11-4 Dopaje en Conductores Orgánicos 139

CAPÍTULO XII

ALEACIONES

12-1 Diagrama de Hierro−Carbono 141

12-1.1.Propiedades físicas y químicas 141

12-1.2.Definición de acero 144

12-1.3.Tratamientos en los aceros 146

12-1.4.Formación de martensita en el acero 147

12-1-5. Curva tiempo−temperatura−transformación 148

12-1.6.Procesos de tratamiento térmico 150

12-1.7. Templabilidad 152

12-1.8.Aceros resistentes a la oxidación y la corrosión 153

12-1.9.Descripción del diagrama hierro−carbono 155

12-1.11. Solubilidad de carbono en hierro 159

12-2 Aleaciones 160

12-3 Aleaciones Ferrosas 161

12-3.1 Tipos de aleaciones ferrosas 161

12-4. Aleaciones no Ferrosas 161

12-4.1 Tipos de aleaciones no ferrosas 162

CAPÍTULO XIII

NANOMATERIALES

13-1 Nanotecnología 165

13-2. Nanomateriales 165

13-2.1 Clasificación de los nanomateriales 165

13-3 Los Nanomateriales tienen un Futuro Brillante 166

13-4 Métodos de Síntesis 168

13-5 Técnicas de caracterización 169

13-6 Aplicaciones 171

13-.7 Aplicaciones de nanocerámicos realizadas en el CINSO 173

13-8 Nanotecnología en los Alimentos 183

BIBLIOGRAFÍA 185

CAPÍTULO I

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

En este capítulo se revisan algunos conceptos relacionados con los materiales, su

clasificación, ya que es muy interesante que los estudiantes tomen conciencia de los

tipos de materiales y sus propiedades básicas para poder seleccionar los materiales

adecuados según los procesos químicos que se deseen. También se explica brevemente

los efectos ambientales a los cuales está sujeto el material, incluyendo la alta

temperatura y la corrosión.

1-1 Materiales

Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. En

ingeniería esta definición va orientada al conocimiento y aplicación de materiales

sólidos que se destinan a la construcción de partes, piezas y equipos de uso ingenieril en

diversos tipos de industrias, como la de procesos químicos, automotriz, acero espacial,

electrónica, entre otras. (Jiménez, 2003).

1-2 Historia de los Materiales

Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han

sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Como los productos están

fabricados a base de materiales, estos se encuentran en cualquier parte alrededor

nuestro. Los más comúnmente encontrados son madera , hormigón , ladrillo , acero ,

plástico , vidrio , caucho , aluminio , cobre y papel . Existen muchos tipos de materiales

y uno solo tiene que mirar a su alrededor para darse cuenta de ello. Debido al progreso

de los programas de investigación y desarrollo, se están creando continuamente nuevos

materiales.

La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en

productos acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los

ingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios

para su fabricación. Puesto que la producción necesita materiales , los ingenieros deben

conocer de la estructura interna y propiedad de los materiales , de modo que sean

capaces de seleccionar el más adecuado para cada aplicación y también capaces de

desarrollar los mejores métodos de procesado.

Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos

materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes. Los ingenieros de

diseño usan los materiales ya existentes, los modificados o los nuevos para diseñar o

crear nuevos productos y sistemas. Algunas veces el problema surge de modo inverso:

los ingenieros de diseño tienen dificultades en un diseño y requieren que sea creado un

nuevo material por parte de los científicos investigadores e ingenieros.

La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo los

ingenieros mecánicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo que los

motores de reacción puedan funcionar más eficientemente. Los ingenieros eléctricos

procuran encontrar nuevos materiales para conseguir que los dispositivos electrónicos

puedan operar a mayores velocidades y temperaturas. (Jiménez, 2003).

1-3 Clasificación de los Materiales

Los materiales se c1asifican en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros,

semiconductores y materiales compuestos (tabla 1-1). Los materiales de cada uno de

estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas. Las diferencias en resistencia,

que se comparan en la figura 1-1 ilustran la amplia gama de propiedades disponibles.

Metales: Los metales y sus aleaciones, incluyendo acero, aluminio, magnesio,

zinc, hierro fundido, titanio, cobre y níquel, generalmente tienen como característica

una buena conductividad eléctrica y térmica, una resistencia relativamente alta, una alta

rigidez, ductilidad o conformabilidad y resistencia al impacto. Son particularmente

útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Aunque en ocasiones se utilizan metales

puros, las combinaciones de metales conocidas como aleaciones proporcionan mejoría

en alguna propiedad particularmente deseable o permiten una mejor combinación de

propiedades. (Askeland, 1998).

Cerámicos: Los cerámicos se pueden definir como materiales cristalinos

inorgánicos. Es posible que sean los materiales más naturales. La arena y las rocas son

ejemplos de cerámicos naturales. Los cerámicos avanzados son materiales obtenidos

refinando cerámicos naturales y con otros procesos especiales. El ladrillo, el vidrio, la

porcelana, los refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad eléctrica y térmica,

y a menudo son utilizados como aislantes. Los cerámicos son fuertes y duros, aunque

también muy frágiles o quebradizos. Las nuevas técnicas de procesamiento han

conseguido que los cerámicos sean suficientemente resistentes a la fractura para que

puedan ser utilizados en aplicaciones de carga, como los impulsores en motores de

turbina. (Askeland, 1998).

Polímeros: son materiales orgánicos comunes se producen mediante un proceso

conocido como polimerización, es decir, creando grandes estructuras moleculares a

partir de moléculas orgánicas, los polírneros incluyen el hule, los plásticos y muchos

tipos de adhesivos. Los polírneros tienen baja conductividad eléctrica y térmica,

reducida resistencia y no son adecuados para utilizarse a temperaturas elevadas. Los

polímeros termoplásticos, en los cuales las largas cadenas moleculares no están

conectadas de manera rígida, tienen buena ductilidad y conformabilidad; los polímeros

termoestables son más resistentes, aunque más frágiles porque las cadenas moleculares

están fuerternente enlazadas. Los polímeros se utilizan en muchas aplicaciones,

incluyendo dispositivos electrónicos. (Askeland, 1998).

Figura 1-1 Resistencias Representativas de Diversas Categorías de Materiales

Semiconductores Aunque el silicio, el germanio y una variedad de compuestos

como el Gas son muy frágiles, resultan esenciales para aplicaciones electrónicas, de

computadoras y de comunicaciones. La conductividad eléctrica de estos materiales

puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos como transistores, diodos y

circuitos integrados. La información hoy día se transmite por luz a través de sistemas de

fibras ópticas; los semiconductores, que convierten las señales eléctricas en luz y

viceversa son componentes esenciales de estos sistemas. (Askeland, 1998).

Materiales compuestos: se forman a partir de dos o más materiales,

produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de manera

individual. El concreto, la madera contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos

típicos aunque algo burdos de materiales compuestos. Con materiales compuestos

podernos producir materiales ligeros, fuertes, dúctiles, resistentes a altas temperaturas, o

bien, podemos producir herramientas de corte duras y a la vez resistentes al impacto,

que de otra manera se harían añicos. Los vehículos aéreos y aeroespaciales modernos

dependen de manera importante de materiales compuestos como los polímeros

reforzados de fibra de carbone. (Askeland, 1998).

Tabla 1-1 Ejemplos, Aplicaciones y Propiedades Representativas de cada Familia de Materiales

Aplicaciones Propiedades

Met

ales

Cobre Alambre conductor

eléctrico

Alta conductividad

eléctrica, buena

formabilidad.

Hierro fundido gris Bloques para motor de

automóvil

Moldeable, maquinable,

absorbe vibraciones.

Aleación de aceros Llaves Endurecidas de manera

significativa mediante

tratamientos térmicos.

Cer

ámic

os

Vidrio para ventana Ópticamente útil, aislante

térmico.

Refractarios para contener

metal fundido

Aislante térmico, se funden

a alta temperatura,

relativamente inertes ante

metal fundido.

Titanato de bario Transductores para

equipos de audio

Convierten sonido en

electricidad

(comportamiento

piezoeléctrico).

Pol

ímer

os

Polietileno Empacado de alimentos Fácilmente conformable en

delgadas películas flexibles

e impermeables.

Epóxicos Encapsulado de circuitos

integrados

Eléctricamente aislante y

resistente a la humedad.

Fenólicos Adhesivos para unir capas

de madera laminada

Fuertes, resistentes a la

humedad

Sem

icon

d

Silicio Transistores y circuitos

integrados

Comportamiento eléctrico

único.

uct

ores Gas Sistemas de fibras ópticas Convierte señales eléctricas

en luz.C

omp

ues

tos

Grafito en matriz

epóxica

Componentes para

aeronaves

Relación elevada

resistencia – peso

Carburo de

tungsteno-cobalto

Herramientas de corte de

carburo para maquinado

Alta dureza, y de una

buena resistencia al

impacto

Acero recubierto de

titanio

Recipientes para reactores Tiene el bajo costo y la alta

resistencia del acero, con la

resistencia a la corrosión

del titanio.

1-4 Propiedades

1-4.1 Propiedades de los materiales

Son el conjunto de características que hacen que el material se comporte de una

manera determinada ante estímulos externos como la luz, el calor, las fuerzas, entre

otros. Lógicamente los materiales se eligen por sus propiedades. (Cruz, S/A).

Dentro de las propiedades de los materiales se encuentran las siguientes:

mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas, químicas, electrónica, las cuales se

explicaran detalladamente en los próximos capítulos.

1-5 Efecto Ambientales Sobre el Comportamiento de los Materiales

La relación estructura propiedades procesamiento se modifica por el medio

ambiente al cual está sujeto el material, incluyendo la alta temperatura y la corrosi6n.

Temperatura Los cambios en temperatura alteran de manera notable las

propiedades de los materiales (figura 1-2). Los materiales que han sido endurecidos por

ciertos tratamientos térmicos o ciertas técnicas de conformado pueden perder

súbitamente su resistencia al ser calentados. Las temperaturas elevadas modifican la

estructura de la cerámica y hacen que los polímeros se derritan o se carbonicen,

mientras que las bajas temperaturas pueden causar que un metal o polímero falle por

fragilidad, aun cuando las cargas aplicadas sean bajas.

EI diseño de materiales resistentes a temperaturas extremas resulta esencial para

muchas tecnologías, como se ilustra en el incremento de las temperaturas de operación

de los vehículos aéreos y aeroespaciales (figura 1-3). Conforme se alcanzan velocidades

mayores, ocurre más calentamiento de la superficie externa del vehículo debido a la

fricción con el aire. Al mismo tiempo, a temperaturas más altas los motores operan con

mayor eficiencia. Por lo que a fin de conseguir velocidades más alta y ahorro en el

consumo de combustible, con los nuevos materiales se han ido incrementando

gradualmente las temperaturas permisibles, tanto en la superficie externa como en los

motores. Pero los ingenieros de materiales cotidianamente se enfrentan a nuevos retos.

EI "Aeroplane Aerospacial Nacional", una aeronave moderna avanzada, que se pretende

lleve pasajeros de un lado al otro del Océano Pacífico en menos de tres horas, requerirá

desarrollar materiales y técnicas de procesamiento aun más exóticos, para tolerarlas

temperaturas más altas que se encontraran. (Askeland, 1998).

Corrosión: La mayor parte de los metales y los polírneros reacciona ante el

oxígeno y otros gases, particularmente a temperaturas elevadas. Los metales y los

cerámicos pueden desintegrarse; los polímeros se pueden volver frágiles. Los líquidos

corrosivos también atacan a los materiales y les provocan fallas prematuras. EI

ingeniero se encuentra ante el reto de seleccionar materiales y recubrimientos que

impidan estas reacciones y que permitan la operación en ambientes extremos.

(Askeland, 1998).

Figura 1-2 Al Incrementarse la Temperatura, Normalmente se Reduce la Resistencia de un Material. Los Polímeros son Adecuados solo a bajas

Temperaturas. Algunos Compuestos, como los de Carbono-Carbono, las Aleaciones Especiales y los Cerámicos, tienen excelentes propiedades a Altas

Temperaturas.

Figura 1-3. Las Temperaturas de Operación para la Superficie Externa de Aeronaves se han Incrementado con el Desarrollo de Materiales

1-6 Diseño y Selección de Materiales

Cuando se diseña un material para una aplicación dada, deberán tomarse en

consideración varios factores. El material debe adquirir las propiedades físicas y

mecánicas deseadas, debe ser procesado o manufacturado a la forma deseada, y debe ser

una solución económica al problema de diseño. También es esencial la satisfacción de

estos requisitos de forma que el entorno quede protegido, quizás fomentando el reciclaje

de materiales. Al cumplir con estas necesidades de diseño, el ingeniero pudiera tener

que llegar a algunos compromisos, a fin de obtener un producto de buen desempeño y

que al mismo tiempo sea vendible. (Askeland, 1998).

Los factores mayores a considerar en la selección de materiales son: costos,

propiedades físicas, mecánicas y características de fabricación. Adicionalmente se debe

conocer y comprender las respuestas del material a la corrosión, particularmente su

susceptibilidad a formas localizadas de ataques tales como picaduras, corrosión por

rendijas o craqueo ambiental.

Además de estos factores que son extrínsecos a los materiales hay factores

extrínsecos tales como el código ASME u otros controles regulatorios, la factibilidad de

aplicar uno o más métodos de control de la corrosión, la respuesta probable a fuegos,

explosiones o descontroles de la temperatura a la presión y las consideraciones

económicas. (Coronel, 2002).

1-7 Importancia de las Propiedades de los Materiales en la Industria de Alimentos.

Es de gran importancia que los ingenieros en alimentos tengan conocimiento

sobre las propiedades que poseen cada material, debido a que nos permite darles un

mejor uso y que puedan ser de mejor aprovechamiento, así también los tratamientos

térmicos que dichos materiales pueden recibir con el objeto de darles una mayor

durabilidad y mejor aplicaciones en la industria

CAPÍTULO II

ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES

El estudio de este capítulo servirá de mucha ayuda al estudiante ya que las

propiedades y el comportamiento de cada material de ingeniería dependen de su

estructura interna. Esto se refiere a diversos arreglos geométricos o químicos que

representan condiciones específicas de un material. Por lo tanto se considera el estudio

de varios niveles en la estructura de los materiales los cuales son los siguientes:

2-1. Estructura Atómica

Un átomo está compuesto de un núcleo rodeado por electrones. El núcleo

contiene neutrones y protones de carga positiva y tiene una carga positiva neta. Los

electrones, de carga negativa, están sujetos al núcleo por atracción electrostática. La

carga eléctrica que llevan cada electrón y cada protón es de 1.60x10 -19 coulomb (C).

Dado que el número de electrones y protones en el átomo es el mismo, en su conjunto el

átomo es eléctricamente neutro.

El número atómico de un elemento es igual al número de electrones o protones

en cada átomo. Por tanto, un átomo de hierro, que contiene 26 electrones y 26 protones,

tiene un número atómico de 26.

La mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo. La masa de cada

protón y cada neutrón es 1.67x10-24g pero la de cada electrón es de únicamente 9.11x10-

28 g. la masa atómica M, que corresponde al número promedio de protones y neutrones

en el átomo es la masa de una cantidad de átomos igual al número de Avogadro,

NA=6.02x1023 mol-1 es el número de átomos o moléculas en un mol o molécula gramo.

Por tanto, la masa atómica tiene unidades de g/mol. (Askeland, 1998).

2-1.1 Estructura electrónica (Subatómica)

Trata de la configuración de los electrones asociados con un átomo o grupo de

átomos. La estructura atómica incluye al núcleo. (Coronel, 2002).

2-1.2 Estructura molecular

Se refiere al arreglo especial de grupos pequeños de átomos que están

fuertemente unidos entre si dentro del grupo molécula. (Coronel, 2002).

2-1.3 Estructura Cristalina

Estudia la manera como se distribuyen los átomos de un arreglo ordenado y

repetitivo que ocupa espacio. El arreglo de átomos en una estructura cristalina produce

sólidos con muchas fórmulas geométricas familiares como cubos, prismas, pirámides y

así sucesivamente. (Coronel, 2002).

2-1.4 Microestructura

Trata de la apariencia física y de la estructura interior de los materiales

tecnológicos. Este tipo de estructura da por resultado las diversas combinaciones de los

elementos químicos en el estado sólido. Se revela mediante observación directa por

algún tipo de microscopio preparando muestras, aplicando pulido y ataques químicos.

(Coronel, 2002).

2-1.5 Macro estructuras

Se refiere a la apariencia de la estructura, pero por lo general se resuelve y se

observa sin la ayuda del microscopio. Este tipo de estructura resulta de la combinación

de elementos químicos y con frecuencia se mejora con trabajo mecánico. Las

propiedades macroscópicas o de cuerpo (bulk) se obtienen usualmente a partir de

mediciones de laboratorio y representan las propiedades promedios de sus estados

microscópicos. (Coronel, 2002).

2-2 Fuerza de Enlace

Cuando se forman enlaces entre átomos existe afinidad química entre estos.

Cuando no hay afinidad química, los átomos no se unen, cada uno de ellos está bien

separado de los demás, y los elementos son gaseosos a temperaturas y presiones

ordinarias. Cuando hay afinidad química, existe una fuerza de atracción electroestática

(coulómbica) positiva de largo alcance, FA, que acerca mucho los átomo unos a otros.

Esto se muestra en la figura 2-1, donde la atracción ocurre entre el núcleo de un átomo

(N1) y los electrones e2 del otro átomo N2. Cuando los átomos están muy próximos

entre sí, se manifiesta una fuerza de repulsión negativa, FR, cuyo origen es la repulsión

mutua de los electrones, e1 y e2. La fuerza de enlace total, FB, es la suma de las fuerzas

de atracción y repulsión; es decir,

FB = FA + FR

e1 e2

Fuerza de atracción de largo alcance entre cargas

Positivas (núcleos) y cargas negativas (electrones)

Fuerza de repulsión de corto alcance entre

Cargas del mismo signo (electrones - electrones). (El rincón del vago, 1998).

Figura 2-1. Esquema de dos Átomos Separados, donde se Indican las Fuerzas de Atracción y de Repulsión. Se Acostumbra Utilizar la Energía, en Vez de la Fuerza,

para Analizar los Enlaces entre Átomos.

Figura 2-2. Curva de Energía de Enlace

2-2.1 Tipos de enlace

2-2.1.1Enlace iónico

El enlace iónico (o enlazamiento iónico) es el resultado de trasferencia de

electrones (o paso de electrones) de un átomo a otro. El enlace iónico se forma entre un

átomo electropositivo y uno electronegativo. El átomo electropositivo cede sus

electrones y el átomo electronegativo los acepta. Como resultado de este proceso se

forman iones positivos (con valencia +n1) y negativos (con valencia - n2) con

configuraciones de capa cerrada. En estas condiciones, los iones con cargas +n1 y - n2

experimentan atracción mutua. La fuerza de repulsión se manifiesta cuando las

configuraciones electrónicas de capa cerrada iónica comienzan a traslaparse.

En el contexto de la mecánica cuántica, los electrones de valencia pertenecientes

originalmente a los átomos neutros se comparten entre los dos átomos que constituyen

la molécula. Los electrones se comparten de tal manera que la densidad de probabilidad

de los electrones en un volumen pequeño, en un punto del espacio y en un momento

dado, es mayor en torno al átomo electronegativo y, por tanto, este átomo adquiere la

carga negativa. Esta es la base de una propiedad cualitativa que lo químicos denominan

electronegatividad. Para que la energía de atracción sea máxima y la energía de

repulsión sea mínima, los vecinos inmediatos de un ion positivo (catión) deben ser iones

negativos (aniones), y viceversa. Existe cierta libertad en cuanto al empaquetamiento de

los iones unos alrededor de otros; por consiguiente, el enlace iónico carece de

direccionalidad. No obstante, es necesario equilibrar las cargas positivas y negativas,

tanto en términos locales y macroscópicos; en consecuencia, los electrones se localizan

en el átomo electronegativo. Puesto que los electrones están localizados, la

conductividad de los materiales iónicos es relativamente mala. Para que exista

conductividad, los iones deben moverse con el campo eléctrico; pero, debido a que son

pesados, se mueven con gran lentitud y son, por lo tanto, malos conductores térmicos y

eléctricos a temperaturas bajas. La energía de enlace como consecuencia de la

formación de enlaces iónicos es relativamente grande y, por ende, cabría esperar que los

materiales fueran de alto punto de fusión. Los cerámicos son ejemplos de materiales con

enlaces iónicos y se utilizan con gran eficacia para soportar ambientes de alta

temperatura y como aisladores y dieléctricos, pero son muy frágiles a causa de la

naturaleza localizada del enlace. (El rincón del vago, 1998).

Figura 2-3. Enlace Iónico.

2-2.1.2Enlace covalente

El enlace iónico no es direccional. En oposición al el enlace covalente que es

una naturaleza altamente direccional. El nombre “covalente” se deriva de la distribución

compartida, cooperativa, de electrones de valencia entre dos átomos adyacentes. Una

particularidad importante de estos enlaces es que se pueden formar entre átomos del

mismo tipo, entre los cuales puede haber muy poca o ninguna formación de enlaces

iónicos, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de

electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica, generalmente se

comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que alcanza la

configuración electrónica de gas noble. En un enlace covalente sencillo, cada uno de los

dos átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones del enlace, y

las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (más

estables) como consecuencia de la interacción de los electrones. En el enlace covalente,

se pueden formar múltiples pares de electrones por un átomo consigo mismo o con otros

átomos. En los enlaces covalentes puros los electrones de un átomo comparten los

estados cuánticos disponibles y son compartidos entre los núcleos para formar una

configuración de capa cerrada.

El ejemplo clásico de enlace covalente es, desde luego, la molécula de

hidrogeno. Recordemos que cada átomo de hidrógeno tiene un estado energético vacío

disponible en el estado cuántico 1s1. Los dos electrones (con espines opuestos) de los

átomos de hidrógeno de la molécula H2 ocupan el estado cuántico 1s para dar la

configuración de capa cerrada 1s2, que es la configuración de átomo de helio. Cada uno

de los átomos de hidrógeno comparte esta configuración, y se dice han formado enlaces

por saturación entre los dos átomos. Como tal, la energía de enlace entre los átomos de

hidrógeno es muy grande, pero no hay mas enlaces fuertes disponibles para otras

moléculas de H2. (El rincón del vago, 1998).

Figura 2-4. Enlace Covalente.

2-2.1.3 Enlace metálico

Un tercer tipo de enlace atómico es el enlace metálico, que se presenta en los

metales sólidos. En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados

relativamente muy juntos es una ordenación sistemática o estructura cristalina.

El enlace metálico es consecuencia de la facilidad de disociación de los metales

en iones positivos y electrones libres. Hay muchos estados cuánticos disponibles en los

metales, todos los cuales no pueden ser ocupados por electrones cuando los átomos se

acercan unos a otros. Por consiguiente, los metales tienen enlazamiento no saturado y se

componen de un gran número de átomos (una macromolécula). Los electrones liberados

se desplazan con facilidad de los orbítales de un átomo a los del otro y ya no está

confinados a un par de átomos; elementalmente, son como un “fluido”. Es por esto que,

por lo común, se representa a los metales como un gran agregado de centros iónicos

positivos inmersos en una “nube” o “mar” de electrones como en la figura 2-5. Esta es

la clásica y simple “teoría de los electrones libres de los metales”, para distinguir los

metales de los no metales, explica las conductividades eléctricas y térmicas

extraordinariamente buenas de los metales, también explica la opacidad óptica y la

reflectividad. La oscilación de los electrones libre absorbe la energía de la luz incidente

en todas las longitudes de onda, y por tanto, hace que el metal sea opaco. Por otra parte,

los electrones oscilantes también emiten ondas luminosas (fotones) y confieren

reflectividad al metal.

El enlazamiento insaturado en los metales también explica el empaque compacto

de sus átomos, sus propiedades de formación de aleaciones y las propiedades mecánicas

sobresalientes de tenacidad y ductilidad con suficiente resistencia mecánica.

Puesto que los electrones no está confinados como ya se menciono al principio,

es posible separar los centros iónicos positivos unos de otros cierta distancia, lo que

confiere a los metales buena ductilidad, antes que los enlaces con los electrones se

rompan. Esto contrata con la fragilidad de los materiales con enlaces iónicos o

covalentes, donde es necesario romper enlaces para separar los núcleos que comparten

la unión. La propiedad de ductilidad permite deformar los metales fácilmente para

darles diversas formas. Si a esto aunamos esto a una resistencia y tenacidad suficientes,

no es de sorprender que los metales sean los materiales dominantes en las aplicaciones

de ingeniería. (El rincón del vago, 1998).

Figura 2-5. El Enlace Metálico se Compone de Centros Iónicos Positivos inmersos

en un Mar o Nube de Electrones.

2-2.1.4 Enlace secundario o de van der Waals.

La principal causa de cohesión dentro de determinado material técnico es uno o

varios de los tres enlazamientos que se describieron anteriormente. El enlace van der

Waals es una fuerza débil de atracción que puede existir entre los átomos y las

moléculas. A este enlace se debe la condensación de los gases nobles y de las moléculas

con enlaces químicamente para formar líquidos y sólidos a temperaturas bajas. El

mecanismo de enlazamiento secundario es algo semejante al iónico, esto es, por

atracción de cargas opuestas. La diferencia clave es que no se transfieren electrones. La

atracción depende de las distribuciones asimétricas de carga positiva y negativa dentro

de cada unidad atómica o molecular que se enlaza. Esta asimetría de carga se llama

dipolo. El enlazamiento secundario puede ser de dos tipos, según los dipolos sean:

1.- Temporales

2.- Permanentes

El momento de un dipolo eléctrico se crea cuando dos cargas iguales y opuestas

se separan. Los dipolos en los átomos o en las moléculas crean momentos dipolares. Un

momento dipolar se define como el valor de la carga multiplicado por la distancia de

separación entre cargas positiva o negativa.

µ = qd

Donde µ = momento dipolarq = magnitud de la carga eléctricad = distancia de separación entre los centros de las cargas

Los momentos dipolares en átomos y moléculas se miden en Culombio - metro

(C · m) o en debyes, donde un debyes = 3.34 · 10-10 C · m.

Las moléculas compuestas de dos o más átomos diferentes, se pueden crear

dipolos permanentes entre los átomos en virtud de sus diferencias de electronegatividad.

El átomo mas electronegativo atrae el electrón hacia sí y lo aleja del elemento menos

electronegativo; se forma una molécula polar con dipolo permanente, en la que el

segundo átomo tiene carga positiva y el primero, carga negativa. Un buen ejemplo de

esto son los puentes de hidrógeno que unen a las moléculas polares de agua y mantienen

esta sustancia en forma líquida a temperatura ambiente. Los dipolos se componen de los

átomos de O con carga negativa y a los átomos de H con carga positiva. El puente de

hidrógeno es el enlace entre los átomos de hidrógeno de una molécula de agua y átomos

de oxigeno negativos de otras moléculas de agua.

Los puentes de hidrógeno son también el mecanismo mediante el cual las

cadenas macromoleculares de los polímeros se mantienen unidas. La baja resistencia a

la cadencia y los reducidos módulos de los polímeros (plásticos) se explican en virtud

de los débiles puentes de hidrógeno y enlaces de van der Waals que se rompen con

facilidad cuando se someten los polímeros a esfuerzos. (El rincón del vago, 1998).

2-2.1.5 Enlaces mixtos

El enlace químico de átomos o iones puede involucrar más de un tipo de enlace

primario y también enlaces dipolares secundarios. Para el enlace primario existen las

siguientes combinaciones de tipos de enlace mixto:

1 Iónico - covalente

2 Metálico - covalente

3 Metálico - iónico

4 Iónico - covalente – metálico

1.- Enlace mixto iónico - covalente : La mayoría de las moléculas con enlaces

covalentes poseen algo de enlace iónico y viceversa. El carácter iónico parcial de los

enlaces covalentes se pude interpretar en términos de la escala de electronegatividades.

Cuanto mayor es la diferencia en las electronegatividades de los elementos involucrados

en un enlace iónico - covalente, mayor es el grado de carácter iónico del enlace. El

grado de carácter iónico en el enlace crece a medida que lo hace la diferencia de

electronegatividades entre los átomos del compuesto.

2.- Enlace mixto metálico - covalente: Se presenta frecuentemente, por ejemplo,

los metales de transición tienen enlace metálico - covalente mixto que involucra

orbítales enlazantes dsp. Los altos puntos de fusión de los metales de transición son

atribuidos al enlace mixto metálico - covalente. También en el grupo 4A de la tabla

periódica hay una transición gradual desde el enlace covalente puro en el carbono

(diamante) a algún carácter metálico en el silicio y germanio para terminar, en estaño y

plomo, con un enlace primordialmente metálico.

3.- Enlace mixto metálico - iónico: si se da una diferencia significativa de

electronegatividad en los elementos que forman parte del enlace intermetálicos, puede

ser que exista una cantidad significativa de transferencia electrónica (enlace iónico) en

el compuesto. Así pues, algunos compuestos intermetálicos son buenos de enlace mixto

metálico - iónico. (El rincón del vago, 1998)

CAPÍTULO III

ARREGLOS ATÓMICOS E IÓNICOS

En este capítulo se explicará la clasificación de los materiales con base en los

arreglos atómicos o iónicos y se describirán los arreglos en los sólidos cristalinos de

acuerdo con las estructuras de red, base y cristalina, los cuales desempeñan un papel

importante en la determinación de la microestructura y las propiedades de un material.

3-1 Materiales Amorfos: principios y Aplicaciones Tecnológicas

Todo material que solo muestra ordenamiento de átomos o iones de corto

alcance es un material amorfo, es decir, un material no cristalino. En general, la mayoría

de los materiales tienden a formar arreglos periódicos, porque esta configuración

maximiza su estabilidad termodinámica. Los materiales amorfos tienden a formarse

cuando, por una u otra razón, la cinética del proceso de obtención de los mismos no

permitió la formación de arreglos periódicos. Los vidrios, que normalmente se forman

en sistemas cerámicos y poliméricos, son buen ejemplo de materiales amorfo. De igual

modo algunas clases de geles poliméricos o coloidales, o materiales parecido a los

geles, también se consideran amorfos. Los materiales amorfos ofrecen, con frecuencia,

una mezcla única e inicial de propiedades, porque los átomos o los iones no están

acomodados en sus arreglos regulares y periódicos. Obsérvese que con frecuencia hay

muchos materiales de ingeniería calificados como amorfo que pueden contener una

fracción cristalina. Los científicos usan la dispersión de neutrones y otros métodos para

investigar el orden de corto alcance en los materiales amorfo.

Por otra parte la cristalización de los vidrios puede controlarse. Los científicos y

los ingenieros en materiales como Donald Stookey han desarrollado formas de nuclear

en forma deliberada cristales ultra finos en vidrios amorfos los materiales obtenidos se

llaman vitrocerámicas, pueden hacerse hasta el 99,9% cristalinos y son bastantes

resistentes. La mayor ventaja de las vitrocerámicas es que se moldean con las técnicas

de conformación del vidrio pero no se fracturan como el vidrio.

Igual que los vidrios inorgánicos, muchos plásticos también son amorfos.

Aunque pueden contener pequeñas porción de material cristalino. Durante su

procesamiento, las cadenas relativamente grande de moléculas de polímeros se enredan

entre si, como el espagueti. Durante el procesamiento de polímero se aplican esfuerzos

mecánicos a la preforma de la botella, por ejemplo, en la manufactura de una botella

normal de 2 litros para bebidas gaseosas, con plástico de tereftaladro de polietileno

moldeado por soplado y estirado. Los esfuerzos radiales y longitudinales durante la

formación de la botella desarrollan alguna de las cadenas de polímeros causando

cristalización inducida por esfuerzo.

En comparación con los plásticos y los vidrios inorgánicos, los metales y las

aleaciones tienden a formar materiales cristalinos con bastante facilidad. Por lo tanto,

para formar estructuras amorfas en estos materiales, es decir, vidrios metálicos se

requieren velocidades de enfriamiento del metal líquido mayor a 10x106 º/seg. Esta

técnica de enfriar muy rápidamente los metales y aleaciones se llaman solidificación

rápida muchos vidrios metálicos tienden propiedades que a la vez son útiles y

excepcionales. Algunos tienen aplicaciones comerciales como los materiales

magnéticos más eficientes, para transformadores y otras aplicaciones. (Askeland, 2004)

Figura. 3-1 Sólidos Amorfos.

3-2 Sistemas Cristalinos

Los materiales sólidos se pueden clasificar de acuerdo a la regularidad con que

los átomos o iones están ordenados uno con respecto al otro. Un material cristalino es

aquel en que los átomos se encuentran situados en un arreglo repetitivo o periódico

dentro de grandes distancias atómicas; tal como las estructuras solidificadas, los átomos

se posicionarán de una manera repetitiva tridimensional en el cual cada átomo está

enlazado al átomo vecino más cercano. Todos los metales, muchos cerámicos y algunos

polímeros forman estructuras cristalinas bajo condiciones normales de solidificación.

Una celda unitaria es el agrupamiento más pequeño de átomos que conserva la

geometría de la estructura cristalina, y que al apilarse en unidades repetitivas forma un

cristal con dicha estructura.

La estructura cristalina de un sólido depende del tipo de enlace atómico, del

tamaño de los átomos (o iones), y la carga eléctrica de los iones en su caso). Existen

siete sistemas cristalinos los cuales se distinguen entre sí por la longitud de sus aristas

de la celda (llamados constantes o parámetros de la celda) y los ángulos entre los bordes

de ésta. Estos sistemas son: cúbico, tetragonal, ortorhómbico, rombohédrica (otrigonal),

hexagonal, monoclínico y triclínico.

Los diferentes sistemas cristalinos se forman por el apilamiento de capas de

átomos siguiendo un patrón particular.

Figura 3-2Construcción de cristales ccp y hcp a partir de capas de átomos con un

arreglo hexagonal compacto.

La manera más simple de apilar una capa hexagonal, compacta es colocar una

sobre la otra, dando como resultado una estructura hexagonal simple. Sin embargo, no

existen ejemplos de ésta en la naturaleza, debido a que los átomos de la segunda capa

tienden a "deslizarse" hacia los "huecos" o intersticios de la primera capa. Esto está de

acuerdo con las consideraciones energéticas de que un empacado compacto de átomos

posee la energía libre más baja. Al colocar una segunda capa compacta sobre los

intersticios de la primera, y una tercera sobre los átomos de la primera, de manera que la

secuencia resultante es ABAB, la estructura obtenida es una hexagonal compacta (hcp).

En cambio, si la tercera capa se coloca sobre la siguiente línea de intersticios, de manera

que la secuencia resultante es ABCAB, la estructura obtenida es una cúbica compacta

(ccp).

Figura 3-3Construcción de cristales ccp con un arreglo cúbico compacto.

Una característica distintiva entre estas dos estructuras es que en la hcp existen

"canales" perpendiculares a las capas compactas, mientras que en la ccp esos canales

son bloqueados debido a la secuencia de apilamiento. (Sánchez y Hernández, S/A).

3-2.1 Redes, tipos y celdas unitarias

Una red es una colección de puntos, llamados puntos de red, ordenados en un

patrón periódico de tal modo que los alrededores de cada punto de la red son idénticos.

Una red puede ser uni, bi o tridimensional. En la ciencia e ingeniería de los materiales

se usa el concepto de “red” para describir los arreglos de átomos o de iones. Un grupo

de uno o más átomos ubicados en forma determinada entre sí, y asociados con cada

punto de red, se llama motivo, motifobas. Se obtiene una estructura cristalina sumando

la red y la base, es decir:

Estructura Cristalina = red + base

Una celda unitaria es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando

las características generales de toda la red. Al apilar celdas unitarias idénticas, se puede

construir toda la red. En la figura 3-4 se muestran celdas unitarias. Al apilar celdas

unitarias idénticas se puede construir toda la red. Hay siete arreglos únicos, llamados

sistemas cristalinos, que llenan el espacio tridimensional. Son los sistemas cúbico,

tetragonal, ortorrómbico, romboédrico (que también se llama trigonal), hexagonal,

monoclínico y triclínico. Aunque existen estos siete sistemas cristalinos, hay un total de

14 arreglos distintos de punto de red. Son arreglos únicos que se llaman redes de

Bravais.

La red de Bravais es la diferente opción disponible para el apilamiento de

átomos en forma de celdas unitarias derivadas de los siete sistemas cristalinos. Por

ejemplo, existen tres opciones para la celda cúbica: 1) átomos en las esquinas del cubo.

2) un átomo adicional en el centro del cubo, y 3) un átomo adicional en cada cara del

cubo. Para el sistema cristalino cúbico existen redes de Bravais cúbica simple (SC,

simple cubico), cúbica centrada en las caras (FCC, face-centered cubic) y cúbica

centrada en el cuerpo (BCC, body-centered cubic). En forma parecida, para el sistema

cristalino tetragonal existen las redes tetragonales simples y tetragonales centradas en el

cuerpo. Se puede expresar cualquier otro arreglo de átomos con las 14 redes de Bravais.

(Askeland, 2004)

Figura 3-4. Catorce tipos de redes de Bravais, Agrupados en siete sistemas

cristalinos.

3-2.1.1 Cantidad de átomos por celda unitaria

Cada una de las celdas unitarias se define con una cantidad específica de puntos

de red. Poe ejemplo los vértices de las celdas se identifican con facilidad, así como las

posiciones centrada en el cuerpo (centro de la celda) y centrada en las caras (Centros de

los seis lados de la celda) (Figura 3-5). Cuando se cuenta la cantidad de puntos de red

que pertenece a cada celda, se debe tener en cuenta que esos puntos de red pueden estar

compartidos por más de una celda unitaria. Un punto de red en el vértice de una celda

unitaria está compartido con seis celdas unitarias adyacentes y, en consecuencia,

compartido por un total de ocho celdas; sólo un octavo de cada vértice pertenece a

determinada celda unitaria. Así la cantidad de puntos de red de todas las posiciones en

vértices de una celda unitaria es:

Figura 3-5. (a) Ilustración de la distribución de los átomos en caras y vértices. (b)

Los modelos de celdas unitarias cúbicas simples (SC), cúbica centrada en el cuerpo

(BCC) y cúbica en las caras (FCC), suponiendo que hay un solo átomo por punt6o

de red.

La cantidad de átomos por celda unitaria es igual al producto de la cantidad de

átomos por punto de red por celda unitaria. En la mayoría de los metales, hay un átomo

ubicado en cada punto de red. Las estructuras de las celdas unitarias (SC, BCC y FCC),

que tienen un átomo ubicado en cada punto de red, se ven en la figura 3-4. En

estructuras más complicadas, en especial en materiales poliméricos, cerámicos y

biológicos, se pueden asociar varios átomos en cada punto de red. (Askeland, 2004).

3-3 Radio Atómico Vs Parámetros de Red

El radio atómico comparado con el parámetro de la red, las direcciones en la

celda unitaria a lo largo de las cuales los átomos están en contacto continuo son las

direcciones compactas. En estructuras simples, particularmente en aquellas con sólo un

átomo por punto de red se utilizan esas direcciones para calcular la relación entre el

tamaño aparente del átomo y el tamaño de la celda unitaria. Al determinar

geométricamente la longitud de la dirección, relativa a los parámetros de red y a

continuación sumando los radios atómicos en esa dirección, es posible determinar la

dirección deseada. (Askeland, 1998).

Ejemplo 3.1 determinación de la relación entre el radio atómico y los

parámetros de red.

SOLUCIÓN

Si observa la figura 3.1, se encuentra que los átomos se tocan a lo largo de la

arista del cubo en las estructuras SC. Los átomos de los vértices tienen su centro en

ellas, así que:

=2r

En las estructuras BCC, los átomos se tocan a lo largo de la diagonal del cuerpo,

que tiene longitud . Hay dos radios atómicos desde el centro del átomo y un radio

atómico desde cada uno de los átomos de los vértices en la diagonal del cuerpo así que:

En las estructuras FCC, los átomos se tocan a lo largo de la diagonal de la cara

del cubo, cuya longitud es . Hay cuatro radios atómicos a lo largo de esta longitud:

dos del átomo centrado en la cara y uno desde cada vértice, así que:

Figura 3-6. Relaciones entre el radio atómico y el parámetro de red en sistemas

cúbicos.

3-4 Número de Coordinación

Es la cantidad de átomos que tocan a determinado átomo, o sea, la cantidad de

vecinos a ese átomo en particular. Es una medida de que tan compacto y eficiente es el

empaquetamiento de los átomos. Para los sólidos iónicos, el número de coordinación de

los cationes se define como la cantidad de aniones más cercanos. El número de

coordinación de los aniones es la cantidad de los cationes más cercanos.

En las estructuras cúbicas que sólo contienen un átomo por punto de red, los

átomos tienen un número de coordinación que se relaciona con la estructura de la red.

Al inspeccionar las celdas unitarias en la figura 3-7, se observa que cada átomo da la

estructura SC, tiene un número de coordinación 6, mientras que en la estructura BCC,

cada átomo tienen 8 vecinos más próximos. (Askeland, 2004).

Figura 3-7. Ilustración de los Números de Coordinación en Celdas Unitarias SC y

BCC.

3-5 Factor de Empaquetamiento

Es la fracción de espacio ocupada por átomos, suponiendo que son esferas duras

que tocan a su vecino más cercano. La ecuación general del factor de empaquetamiento

es:

3-6 Densidad

La densidad teórica de un material se puede calcular con las propiedades de su

estructura cristalina. La fórmula general es:

Si un material es iónico y consiste en distintas clases de átomos o iones, habrá

que modificar esta fórmula para reflejar esas diferencias. En el ejemplo: 3-2, se ilustra

como determinar la densidad del hierro BCC.

EJEMPLO 3-2

Determine la densidad del hierro BCC, que tiene un parámetro de red de 0.2866 mm.

SOLUCIÓN

Átomos/celdas= 2

a0= 0,2866 mm= 2.8866x10-8cm

Masa atómica= 55,847 g/mol

Volumen de la celda unitaria= a30= (2,866x10-8cm)3=23, 54x10-24cm3/celda.

Numero de avogadro= Na= 6,02x1023átomos/mol.

= 7, 882 gr/

La densidad medida es 7,870 gr/ cm3. La pequeña discrepancia entre las

densidades teóricas y medidas es una consecuencia de los defectos en el material. El

término defecto significa imperfecciones con respecto al arreglo atómico. (Askeland,

2004).

3-7 Transformaciones Alotrópicas o Polimorfas

Los materiales que pueden tener más de una estructura cristalina se llaman

alotrópicos, polimorfos ó polimórficos. El término alotropía suele reservarse para este

comportamiento en los elementos puros, mientras que polimorfismo se usa para los

compuestos. Hay algunos metales, como el hierro y el titanio que tiene más de una

estructura cristalina. A bajas temperaturas, el hierro tienen la estructura BCC, pero a

mayores temperaturas se transforma en una estructura FCC. Estas transformaciones dan

como resultado cambios en las propiedades de los materiales y son la base del

tratamiento térmico de los aceros y de otras muchas aleaciones.

Muchos materiales cerámicos como la sílice y la zirconia, también son

polimórficos. Durante su calentamiento y enfriamiento, la transformación puede

acompañarse de un cambio de volumen; si no se controla en forma adecuada, este

cambio de volumen hace que el material cerámico, que es frágil, se agriete y fracture.

Por ejemplo, para la zirconia, la forma estable a temperatura ambiente de 25ºc es la

monoclínica. Al aumentar la temperatura, hay estructuras cristalinas más simétricas que

se vuelven estables. A 1170ºc, la zirconia monoclínica se transforma en una estructura

tetragonal. La forma tetragonal es estable hasta 2370ºc, punto en el cual se transforma

en una forma cúbica. La forma cúbica queda estable desde 2370ºc hasta la temperatura

de fusión de 2680ºc. La zirconia también puede tener una forma ortorrómbica, cuando

se le aplica grandes presiones.

El polimorfismo también tiene importancia central en varias otras aplicaciones.

Las propiedades de algunos materiales pueden depender mucho del tipo de polimorfo.

Por ejemplo, las propiedades dieléctricas de materiales como PZT (zirconato-titanato de

plomo y BaTiO3 (titanato de bario)). Dependen de la forma polimórfica de que se trate.

(Askeland, 2004).

3-8 Estructura Cristalina de los materiales Iónicos

Muchos materiales cerámicos contienen, entre sus aniones y cationes una

fracción considerable de enlaces iónicos. Estos materiales iónicos deben tener

estructuras cristalinas que aseguren la neutralidad eléctrica, pero que también permitan

el empaquetamiento de iones de distintos tamaños. Las estructuras cristalinas se pueden

considerar como estructuras de aniones con empaquetamiento compacto. Los aniones

forman tetraedros u octaedros y permiten a los cationes entrar en los sitios intersticiales

adecuados. En algunos casos, podrá ser más fácil visualizar poliedros de coordinación

de cationes con aniones que entren en los sitios intersticiales. (Askeland, 2004).

CAPÍTULO IV

IMPERFECCIONES EN LOS ARREGLOS ATÓMICOS E IÓNICOS.

El arreglo de los átomos o de los iones en los materiales diseñados tiene

imperfecciones o defectos y con frecuencia estos defectos tienen consecuencias

profundas sobre las propiedades de los materiales. Por lo tanto en este capítulo se

estudiarán los tres tipos básicos de imperfecciones: defectos puntuales, lineales o

dislocaciones y defectos superficiales. De este modo se entenderá que los materiales no

son defectuosos desde el punto de vista de la aplicación, debido a que en muchas

aplicaciones es muy útil la presencia de estos defectos, mientras que en otros casos se

requiere minimizar tales defectos.

4-1 Defectos Puntuales.

Son interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos que, si no fuera

por ello, serían perfectos en una estructura cristalina, aun cuando se le llaman defectos

puntuales, la alteración afecta una región donde intervienen varios átomos o iones. Estas

imperfecciones se muestran en la figura 4.1, y se pueden introducir por el movimiento

de los átomos o los iones al aumentar la energía por calentamiento, durante el proceso

del material, por introducción de impurezas o dopado. En el caso normal las impurezas

son elementos o compuestos presentes en las materias primas o en el procedimiento.

Figura 4-1 Defectos Puntuales (a) vacancia, (b) átomo intersticial, (c) átomo de

sustitución pequeño, (d) átomo de sustitución grande, € defecto de Frenkel y (f)

defecto de Schottky. Todos estos defectos perturban el arreglo perfecto de los

átomos que los rodean.

Un defecto puntual implica en general a uno o par de átomos o iones y, en

consecuencia, es distinto de los defectos extendidos, como dislocaciones, límite de

granos, entre otros.

Vacancias: se produce cuando falta un átomo o un ión en un sitio normal de la

estructura cristalina como en la figura 4-1. Cuando faltan átomos o iones, es decir,

(cuando no hay vacancias), aumenta el desorden normal o entropía del material, lo cual

aumenta la estabilidad termodinámica de un material cristalino. Todos los materiales

cristalinos tienen un defecto de vacancias. Las vacancias se introducen a los materiales

y aleaciones durante la solidificación, a temperaturas elevadas o como consecuencia por

daños de radiación. Las vacancias representan un papel importante en la determinación

de la rapidez con que se puede mover los átomos o los iones, es decir, difundirse en un

material sólido, en especial en los metales puros.

Defectos intersticiales: se forma cuando se inserta un átomo o un ión adicional

en la estructura cristalina en una posición normalmente desocupada como en la figura 4-

1b. Los átomos o los iones intersticiales, aunque son muchos menores que los átomos o

los iones que están en los puntos de redes, son mayores que los sitios intersticiales que

ocupan, en consecuencia, la región cristalina vecina esta comprimida y distorsionada.

Los átomos intersticiales como los del hidrógeno están presentes, con frecuencia como

impureza, mientras que los átomos de carbono se agregan en forma intersticiales al

hierro para producir acero. Para concentraciones pequeñas los átomos de carbono

ocupan sitios intersticiales en la estructura cristalina del hierro e introduce un esfuerzo

en la región del cristal en su cercanía. A diferencia de las vacancias una vez introducido,

la cantidad de átomos o iones intersticiales en la estructura permanece casi constante,

aún cuando se cambie la temperatura.

Defecto sustitucionales: se produce cuando un átomo o ión es sustituido por un

tipo de átomo o ión, como en la figura 4-1c y d. los átomos o iones sustitucionales

ocupan el sitio normal en la red. Pueden ser mayores que los átomos o iones normales

en la estructura cristalina, en cuyo caso se reducen los espacios interatómicos vecinos,

no pueden ser menores lo cual causara que los átomos vecinos tengan distancias

interatómicas mayores. En ambos casos los defectos sustitucionales perturban al cristal

que los rodea. De nuevo, los defectos sustitucionales se pueden introducir en forma de

una impureza o de una adición deliberada en la aleación; una vez introducidos, la

cantidad de defectos es relativamente independiente de la temperatura. (Askeland,

2004).

4-2 Otros Defectos Puntuales

Una intersticial (o defecto puntual auto intersticial), se crea cuando un átomo

idéntico a los puntos normales de red está en una posición intersticial. Es más probable

encontrar estos defectos en estructuras cristalinas que tienen bajo factor de

empaquetamiento.

Un defecto de Frenkel, o par de Frenkel, es un par vacancia – intersticial que se

forma cuando un ión falta de un punto normal de red a un sitio intersticial como se ve en

la figura 4-1e, y deja atrás una vacancia. Cuando esto se describe para un material

iónico en los metales y en los materiales son enlaces covalentes, puede presentarse un

defecto de Frenkel.

Un defecto de Schottky, figura 4-1f, es exclusivo de los materiales iónicos y

pueden encontrarse en muchos materiales cerámicos. En este defecto las vacancias se

presentan en un material con enlaces iónicos; donde debe faltar un número

estequiométrico de iones y cationes en el cristal, si se quieren conservar en él la

neutralidad eléctrica.

Un defecto puntual institucional importante se presenta cuando un ión de una

carga reemplaza a otro de carga distinta. Este sería el caso de un ión de valencia +2

reemplaza a otro de valencia +1. Figura 4-2. En este caso se introduce una carga

positiva adicional en la estructura para mantener el equilibrio de cargas se podría crear

una vacancia donde normalmente estaría ubicado un catión +1. Nuevamente esta

imperfección se observa en materiales con un enlazamiento iónico pronunciado.

Así, en los sólidos iónicos, cuando se introducen defectos puntuales se deben

observar las reglas siguientes:

1. Se debe mantener un equilibrio de cargas, para que el material cristalino en su

totalidad sea eléctricamente neutro.

2. Se debe mantener un balance de masa.

3. Se debe conservar la cantidad de sitios cristalográficos. (Askeland, 2004).

Figura4-2 Cuando un catión remplaza a uno monovalente, también debe

quitar un segundo catión monovalente, con lo que se crea una vacancia

4-3 Dislocaciones

La distorsión en torno de un defecto lineal está centrada a lo largo de una línea,

así la imperfección puede ser considerada como el límite entre dos regiones de una

superficie que son perfectas en sí mismas, pero entre las cuales existe un desajuste. Las

dislocaciones no son defectos de equilibrio como las vacancias, su formación requiere

de energía significativa la cual es almacenada en la porción del cristal cerca de la

dislocación.

Las dislocaciones juegan un papel importante en el comportamiento mecánico

de los materiales controlan la resistencia de la deformación de los mismos. Explican:

La deformación plástica.

La ductibilidad en materiales.

Una resistencia mucho más baja de los sólidos de la que se podrían esperar de

consideraciones teóricas.

Se pueden identificar tres tipos de dislocaciones: de tornillo, de borde y mixtas.

Dislocaciones de borde: se forman por la adición de un plano parcial extra de

átomos al cristal. Las dislocaciones en si es el borde inferior del plano parcial extra. Ver

figura 4-3. El vector necesario para cerrar el circuito es el vector de Burgers es

perpendicular a la dislocación. Al introducir la dislocación, los átomos que están arriba

de la línea de dislocación están muy comprimidos entre sí, mientras que los de abajo

están muy distanciados. La región vecina del cristal se ha perturbado por la presencia de

la dislocación.

Figura4-3 Dislocación de borde. Cristal perfecto en (a), se corta y se

intercala un plano adicional de átomos (b). El borde inferior del plano

adicional es una dislocación de borde (c). Se requiere un vector de

Burgers b, para cerrar un circuito de distancias atómicas iguales en

torno a la dislocación de borde.

Dislocación de tornillo: se ilustra la figura 4-4. Se muestra un cristal perfecto y

un plano cortado pos la parte de este. Cuando los lados del cristal han deslizado uno

sobre el otro, sólo sobre el plano del corte, los átomos están de nuevo en registro con

cada quien y se ha creado una dislocación de tornillo.

La línea de dislocación marca el borde de plano del corte. Se muestra el circuito

y el vector de burgers b. es ahora paralelo a la línea de dislocación. (Coronel, 2002).

Figura4-4 Dislocación de tornillo. Cristal perfecto en (a), se corta y se

ranura una distancia atómica b y c.

Dislocación mixta: como se observa en la figura 4.5. Tiene componente de borde

y de tornillo, con una región de transición entre ellas. Sin embargo, el vector de Burgers

queda igual para todas las porciones de dislocación mixta. (Askeland, 2004).

Figura4-5 Dislocación mixta. La dislocación de tornillo en la cara frontal

del cristal cambia en forma gradual a dislocación de borde en el lado del

cristal.

Deslizamiento: El plano de deslizamiento es el definido por la línea de

dislocación y el vector de Burguers. En las dislocaciones en arista sólo puede haber uno

porque el vector de Burgers es perpendicular a la línea de dislocación, mientras que, en

las helicoidales, al ser paralelos ambos, el número de planos de deslizamiento es

infinito. (Rodríguez, 2004).

En condiciones de termofluencia las altas temperaturas permiten que las

dislocaciones de borde del metal asciendan. Los átomos se mueven a uno y otro lado de

la línea de dislocación por difusión causando que la dislocación se mueva en una

dirección perpendicular (en lugar de paralela) al plano de deslizamiento.

Figura4-6 Mecanismo de trepado de una dislocación.

4-3.1 Observación de dislocaciones

Una técnica para identificar las dislocaciones que actúan en el interior de los

sólidos son las de microscopía electrónica de transmisión y la de picaduras de corrosión,

que comentamos a continuación.

Microscopía electrónica de transmisión (MET o TEM).

La técnica más adecuada para observar las dislocaciones en el interior del metal

es la microscopía electrónica de transmisión. La probeta es una lámina muy delgada, del

orden de 0.05-0.5 micras, del material a examinar. El espesor de la lámina debe ser lo

suficientemente delgada como para permitir la transparencia al flujo de electrones que

provienen del cañón del microscopio.

a) b)

Figura4-7 Esquema del microscopio electrónico de transmisión.

La imagen genérica se realiza en el microscopio electrónico de transmisión,

figura 4-6, en virtud a los principios siguientes:

La absorción del flujo electrónico en función del espesor o calidad diferenciada

del material determina gradientes de intensidad recibida sobre la placa

fotográfica.

La difracción de los electrones que atraviesan el material, si encuentran las

condiciones enunciadas por la ley de Bragg.

La observación de dislocaciones se realiza de acuerdo con este segundo

principio, por difracción de los planos reticulares cerca de las dislocaciones,

especialmente los que observan un doblez local de los planos. La difracción provoca la

no recepción de rayos en la placa y la imagen oscura. En la figura 4-8 se observa este

mecanismo de difracción. En la figura 4.8a, las dislocaciones con doblez sobre el plano

de deslizamiento en una lámina de 2 mm de espesor y la imagen a que daría lugar,

figura 4-2b, por el microscopio electrónico. En la figura 4.2c se observa una imagen

SEM de dislocaciones en la aleación AlCuMg.

c)

Figura 4-8. a y b) Imágenes de dislocaciones en microscopía electrónica. c)

Diagrama de rayos a través de la lente objetivo que ilustra el origen del contraste

de difracción.

Un microscopio electrónico de transmisión que opera de 100 a 200 KV, emite

radiaciones de longitudes de onda de 0.025 - 0.037 Å, resolviendo detalles menores a 10

Å. Los aumentos máximos del MET se encuentran en el campo de 100 a 200.000 X.

Picaduras de corrosión (Etch pits).

Una dislocación cuña o hélice, existe como consecuencia de un defecto de la

estructura cristalina, con menor densidad atómica. Así pues ésta será una línea de la

estructura con mayor actividad ante reactivos apropiados. En forma inversa, el ataque

químico apropiado a las superficies metálicas se magnificará en primer lugar en los

puntos de intersección de las dislocaciones del metal sobre su superficie. Esto dará lugar

a figuras de corrosión, Etch Pits en lenguaje anglosajón, con la sección indicada en la

figura 4-9. (Plasticidad y endurecimiento por deformación, S/A).

Figura 4-9. Picaduras de corrosión en cristales de LiF.

4-3.2 Importancia de las dislocaciones

Las dislocaciones tienen más importancia en los metales y las aleaciones porque

proporcionan un mecanismo para la deformación plástica, mecanismo que es el efecto

acumulado de numerosas dislocaciones. La deformación plástica es una deformación o

cambio de forma irreversible que se presenta cuando se retira la fuerza. Esto se debe a

que el esfuerzo aplicado causa el movimiento de dislocaciones, el cual, a su vez, causa

la deformación permanente. La deformación elástica es un cambio temporal de forma de

que sucede mientras una fuerza o un esfuerzo se aplica a un material. En la deformación

elástica, el cambio de forma lo causa la elogación de los enlaces inter atómicos; sin

embargo, no hay movimiento de dislocaciones. El deslizamiento se puede presentar en

algunos cerámicos y en algunos polímeros.

También el deslazamiento proporciona ductilidad a los metales. Si no hubiera

dislocaciones, una barra de hierro sería frágil y los metales no podrían moldear en

formas útiles con los procesos de trabajo propios de ellos, como los forja, por ejemplo.

Además de lo antes dicho, se controla las propiedades de un metal o de una aleación

interfiriendo con el movimiento de las dislocaciones. Un obstáculo introducido en el

cristal evita que una dislocación se deslice, a menos que se apliquen fuerzas mayores.

Así, la presencia de dislocaciones ayuda a endurecer los materiales metálicos.

(Askeland, 2004).

4-4 Influencia de la Estructura Cristalina

Una característica importante de la deformación plástica es no destruir la

cristalinidad del material, pese a que la forma externa puede variar considerablemente.

El mecanismo fundamental para producir deformación plástica es el deslizamiento1,

que implica el desplazamiento de una parte del cristal con relación a la otra, a lo largo

de planos cristalográficos particulares y en ciertas direcciones cristalográficas, que se

denominan respectivamente, planos y direcciones de deslizamiento.

Los cálculos teóricos realizados a partir del modelo de deslizamiento de un

plano sobre otro han determinado que la tensión de cizallamiento necesaria para

deformar un cristal debería ser mucho mayor que la observada experimentalmente, lo

que demuestra que el mecanismo propuesto no es correcto. En realidad, la deformación

plástica procede por el movimiento de dislocaciones y éste ocurre con más facilidad en

las dislocaciones que tienen el vector de Burgers más corto (las que están en las

direcciones compactas).

El esfuerzo requerido para originar el deslizamiento en un mono cristal de un

metal puro, depende principalmente de la estructura cristalina del metal, de sus enlaces

atómicos, de la temperatura a la cual es deformado y de la orientación de los planos de

deslizamiento activos con respecto a los esfuerzos cortantes. El deslizamiento se inicia

cuando el esfuerzo cortante sobre el plano de deslizamiento alcanza una cierta magnitud

en la dirección de deslizamiento. Este valor de umbral del esfuerzo de corte se llama

tensión de corte crítica resuelta (τCR).

Si una probeta de un mono cristal cilíndrico de sección transversal A (figura

4.10) se somete a una fuerza de tracción F, siendo λ es el ángulo entre la dirección de

deslizamiento y la fuerza aplicada y ϕ el ángulo entre la normal al plano de

deslizamiento y la fuerza actuante, sólo la componente de esta fuerza en la dirección de

deslizamiento es eficaz para mover las dislocaciones sobre dicho plano.

Como el deslizamiento ocurre por la acción de un esfuerzo cortante sobre el

plano de deslizamiento, la componente normal al plano de deslizamiento no influye en

él. Entonces la tensión de corte crítica resuelta en la dirección de deslizamiento será:

Donde,

F.cos λ = fuerza de corte en la dirección de

Deslizamiento.

A/cosϕ = área del plano de deslizamiento.

cosϕ.cos λ: Factor de Schmid

Fig. 4-10: Factor de Schmid

La tensión de corte crítica resuelta es máxima cuando se cumple la condición

siguiente:

La tensión de corte crítica resuelta (τCR) es la tensión mínima requerida para

romper suficientes enlaces metálicos a fin de que ocurra el deslizamiento. La magnitud

de tensión de tracción, σ, necesaria para provocar un deslizamiento en el cristal,

depende de la orientación del plano de deslizamiento con respecto al esfuerzo aplicado,

y a la dirección de deslizamiento. Para producir un máximo esfuerzo cortante, se

necesitan valores diferentes de esfuerzos de tracción, según los valores de ϕ y de λ. Si la

carga de tracción se aplica normal al plano de deslizamiento, λ = 90º, la tensión de corte

resuelta es cero. Si la carga de tracción se aplica paralela al plano de deslizamiento, ϕ =

90º, la tensión de corte resuelta también es cero. En los dos casos no existe componente

de corte en el plano de deslizamiento, por lo tanto, no puede haber deslizamiento.

ϕ = λ = 45º en este caso τCR = 0,5 σ.

Otro aspecto a considerar es el que muestra la figura 4.11: si un mono cristal se

deformara libremente, los planos de deslizamiento se mantendrían paralelos a sí

mismos. Pero como se encuentra sujeto por las mordazas, la parte central rotará,

tendiendo a acercarse al eje de aplicación de la fuerza. Por lo tanto, el mecanismo de

deslizamiento entraña un movimiento de traslación a lo largo de los planos de

deslizamiento, y otro de rotación del material, con respecto al eje de la carga.

De este modo, los ángulos entre el eje de la fuerza y los planos de deslizamiento

cambian durante la deformación del material. Se harán más agudos conforme se vaya

produciendo más deslizamiento.

Figura 4-11 Mecanismo de deslizamiento

Esta explicación describe el comportamiento de mono cristales casi perfectos,

pero los materiales de ingeniería rara vez son mono cristalino y nunca son perfectos. La

mayoría de los materiales metálicos son poli cristalinos. Al traccionarlos, la

deformación plástica se iniciará en aquel o aquellos granos que por tener una

orientación favorable respecto a la dirección de tracción, requieran menor esfuerzo para

iniciarla. Estos granos que deforman en primer término serán aquellos cuyos ángulos ϕ y γ estén más próximos a 45º.

A medida que progresa la deformación es preciso aumentar la carga para que

aquella pueda continuar. Se alcanzan así valores capaces de deformar otros cristales

cuyos planos de fácil deslizamiento no estén orientados a 45º respecto a la dirección de

tracción.

Como en los metales poli cristalinos existen muchos granos orientados en forma

aleatoria, siempre habrá un número de planos de deslizamiento adecuadamente

orientados, a lo largo de los cuales el deslizamiento se llevará a cabo para cualquier

orientación de la carga aplicada. (Zossi y Druker, 2006).

4-5 Defecto Superficiales.

Los defectos superficiales son los límites o bordes o planos que dividen un

material en regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura cristalina pero

diferente orientación.

Superficie externa

Las dimensiones exteriores del material representan superficies en las cuales la

red termina abruptamente. Los átomos de la superficie no están enlazados al número

máximo de vecinos que deberían tener y por lo tanto, esos átomos tienen mayor estado

energético que los átomos de las posiciones internas. Los enlaces de esos átomos

superficiales que no están satisfechos dan lugar a una energía superficial, expresada en

unidades de energía por unidad de área (J/m2 o Erg/cm2). Además la superficie del

material puede ser rugosa, puede contener pequeñas muescas y puede ser mucho más

reactiva que el resto del material.

Bordes de grano

Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales de

diferentes orientaciones cristalográficas en materiales poli cristalinos.

Figura 4-12 Bornes de grano.

El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están

uniformemente separados, o sea que hay átomos que están muy juntos causando una

compresión, mientras que otros están separados causando tensión. De cualquier forma

los límites de grano son áreas de alta energía y hace de esta región una más favorable

para la nucleación y el crecimiento de precipitados

Maclas

Una macla es un tipo especial de límite de grano en el cual los átomos de un lado

del límite están localizados en una posición que es la imagen especular de los átomos

del otro lado. (Zossi y Druker, 2006).

Figura 4-13 Cristales de Yeso sin Maclar Macla de Yeso.

CAPÍTULO V

PROPIEDADES MECÁNICAS

En este capítulo se estudiarán las propiedades mecánicas sabiendo que muchos

materiales cuando se encuentran en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales

condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el

instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar

sometido no sean excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico

de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una

fuerza o carga aplicada. Por lo antes expuesto estas propiedades resultan importantes en

ingeniería y algunas pueden deducirse del ensayo tensión deformación.

5-1 Deformación (δ)

Se refiere a los cambios en las dimensiones de un miembro estructural cuando

este se encuentra sometido a cargas externas. Estas deformaciones serán analizadas en

elementos estructurales cargados axialmente, por los que entre las cargas estudiadas

estarán las de tensión o compresión.

Un ejemplo de ellos:

Los miembros de una armadura.

Las bielas de los motores de los automóviles.

Los rayos de las ruedas de bicicletas. (Vilchez, 2008).

5-1.1 Deformación Unitaria (ε).

Se puede definir como la relación existente entre la deformación total y la

longitud inicial del elemento, la cual permitirá determinar la deformación del elemento

sometido a esfuerzos de tensión o compresión axial. Entonces, la formula de la

deformación unitaria es:

ε: Deformación Unitaria

δ: Deformación Total

L: Longitud inicial. (Vilchez, 2008).

5-2 Fuerza.

La fuerza es una magnitud física de carácter vectorial capaz de deformar los

cuerpos (efecto estático), modificar su velocidad o vencer su inercia y ponerlos en

movimiento si estaban inmóviles (efecto dinámico). En este sentido la fuerza puede

definirse como toda acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o

de reposo de un cuerpo (imprimiéndole una aceleración que modifica el módulo o la

dirección de su velocidad) o bien de deformarlo.

Comúnmente nos referimos a la fuerza aplicada sobre un objeto sin tener en

cuenta al otro objeto u objetos con los que está interactuando y que experimentarán, a su

vez, otras fuerzas. Actualmente, cabe definir la fuerza como un ente físico-matemático,

de carácter vectorial, asociado con la interacción del cuerpo con otros cuerpos que

constituyen su entorno. (Enciclopedia Wikipedia, 2010).

5-3 Esfuerzo.

Se define como la intensidad de las fuerzas componentes internas distribuidas

que resisten a un cambio en la forma de un cuerpo. El esfuerzo se define en términos de

fuerza por unidad de área. Existen tres formas básicas de esfuerzo: tensivos,

comprensivos y corte. El esfuerzo se compacta en la base de las dimensiones del corte

transversal de una pieza antes de la aplicación de la carga, usualmente se llaman

dimensiones originales. (Universidad Nacional de Colombia, 2004).

5-4 Deformación Unitaria Elástica

Deformación restaurable, debido a un esfuerzo aplicado. Se presenta tan pronto

como se aplica la fuerza, permanece mientras se aplica el esfuerzo y desaparece tan

pronto como se retira la fuerza.

5-4.1 Deformación plástica

Deformación permanente de un material, cuando se quita el esfuerzo, el material

no regresa a su forma original.

Figura 5-1. Deformación Unitaria

5-5 Relación entre el Esfuerzo y la Deformación.

La Elasticidad propiedad de un material que le hace recuperar su tamaño y forma

original después de ser comprimido o estirado por una fuerza externa. Cuando una

fuerza externa actúa sobre un material causa un esfuerzo o tensión en el interior del

material que provoca la deformación del mismo. En muchos materiales, entre ellos los

metales y los minerales, la deformación es directamente proporcional al esfuerzo. Esta

relación se conoce como ley de Hooke, así llamada en honor del físico británico Robert

Hooke, que fue el primero en expresarla. No obstante, si la fuerza externa supera un

determinado valor, el material puede quedar deformado permanentemente, y la ley de

Hooke ya no es válida. El máximo esfuerzo que un material puede soportar antes de

quedar permanentemente deformado se denomina límite de elasticidad.

La relación entre el esfuerzo y la deformación, denominada módulo de

elasticidad, así como el límite de elasticidad, están determinados por la estructura

molecular del material. La distancia entre las moléculas de un material no sometido a

esfuerzo depende de un equilibrio entre las fuerzas moleculares de atracción y

repulsión. Cuando se aplica una fuerza externa que crea una tensión en el interior del

material, las distancias moleculares cambian y el material se deforma. Si las moléculas

están firmemente unidas entre sí, la deformación no será muy grande incluso con un

esfuerzo elevado. En cambio, si las moléculas están poco unidas, una tensión

relativamente pequeña causará una deformación grande. Por debajo del límite de

elasticidad, cuando se deja de aplicar la fuerza, las moléculas vuelven a su posición de

equilibrio y el material elástico recupera su forma original. Más allá del límite de

elasticidad, la fuerza aplicada separa tanto las moléculas que no pueden volver a su

posición de partida, y el material queda permanentemente deformado o se rompe.

Figura 5-2 grafica esfuerzo & deformación

Representando el esfuerzo en función de la deformación unitaria para un metal

obtenemos una curva característica semejante a la que se muestra en la figura 5-2.

Durante la primera parte de la curva, el esfuerzo es proporcional a la

deformación unitaria, estamos en la región elástica. Cuando se disminuye el esfuerzo, el

material vuelve a su longitud inicial. La línea recta termina en un punto denominado

límite elástico

Si se sigue aumentando el esfuerzo la deformación unitaria aumenta

rápidamente, pero al reducir el esfuerzo, el material no recobra su longitud inicial. La

longitud que corresponde a un esfuerzo nulo es ahora mayor que la inicial L0, y se dice

que el material ha adquirido una deformación permanente.

El material se deforma hasta un máximo, denominado punto de ruptura. Entre el

límite de la deformación elástica y el punto de ruptura tiene lugar la deformación

plástica.

Si entre el límite de la región elástica y el punto de ruptura tiene lugar una gran

deformación plástica el material se denomina dúctil. Sin embargo, si la ruptura ocurre

poco después del límite elástico el material se denomina frágil.

Figura 5-3 grafica esfuerzo & deformación

En la figura 5-3, se representa el comportamiento típico de esfuerzo -

deformación unitaria de un material como el caucho. El esfuerzo no es proporcional a la

deformación unitaria (curva de color rojo), sin embargo, la sustancia es elástica en el

sentido que si se suprime la fuerza sobre el material, el caucho recupera su longitud

inicial. Al disminuir el esfuerzo la curva de retorno (en color azul) no es recorrida en

sentido contrario.

La falta de coincidencia de las curvas de incremento y disminución del esfuerzo

se denomina histéresis elástica. Un comportamiento análogo se encuentra en las

sustancias magnéticas.

Puede demostrarse que el área encerrada por ambas curvas es proporcional a la

energía disipada en el interior del material elástico. La gran histéresis elástica de

algunas gomas las hace especialmente apropiadas para absorber las vibraciones.

(Escalona, 2010).

5-6 Ensayo de Tensión

El ensayo de tensión de un material consiste en someter a una probeta

normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta

que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a

una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en una

ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε=10-4 a 10-2 s-1).

Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos

para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más

importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de

ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga

mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina

de ensayo de tracción se muestra en la Figura 5-4.

Figura 5-4 Máquina de Ensayo de Tracción

La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a

una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una

señal que representa la carga aplicada, las máquinas poseen un plotter que grafica en un

eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída.

Figura 5-5 Curva Fuerza-Deformación de un Acero

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la

probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa

a su longitud inicial.

Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:

F = K (L - L0)

F: fuerza

K: cte. del resorte

L: longitud bajo carga

L0: longitud inicial

Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de

fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A

partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio.

Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - L0) y se define que ha comenzado la zona

plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es

el punto de fluencia (yield point) y la fuerza que lo produjo la designamos como

F = Fyp (yield point)

Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para

llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Fyp y F = Fmáx la probeta se alarga en forma

permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su

punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello.

La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje

de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando

la ruptura.

La figura 5-6 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la

carga máxima y luego de la ruptura.

Figura 5-6

Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta,

se dividen las cargas por la sección transversal inicial Ao , obteniéndose:

Resistencia a la fluencia:

Resistencia a la tracción:

Obs.

(En alguna literatura)

Unidades: Kg/mm2 o Mpa o Kpsi

Considerando una probeta cilíndrica

Ao = ( ) (Universidad Católica de Chile, S/A)

5-7 Propiedades Obtenidas en el Ensayo de Tensión.

Resistencia de cedencia: cuando se aplica un esfuerzo a un material, este

muestra una deformación elástica. La deformación que se produce desaparece por

completo al eliminarse el esfuerzo aplicado. Sin embargo, al continuar el esfuerzo

aplicado, el material comienza a mostrar deformación tanto elástica como plástica. Al

final, el material sede al esfuerzo aplicado. El valor crítico del esfuerzo necesario para

iniciar la deformación plástica se llama límite elástico del material. El los materiales

metálicos, este es normalmente el esfuerzo necesario para iniciar el movimiento de las

dislocaciones o deslizamientos. En los materiales poliméricos, este esfuerzo

corresponde al desenredo de las cadenas moleculares del polímero o el deslizamiento de

las cadenas entre sí. El límite de proporcionalidad se define como el valor del esfuerzo

arriba del cual la relación entre esfuerzo y deformación ingenieriles no es lineal.

En la mayoría de los metales el límite elástico y el límite de proporcionalidad

están bastante cercanos. Sin embargo, ni el valor del límite elástico ni el de

proporcionalidad se puede determinar con precisión. Los valores medidos dependen de

la sensibilidad del equipo que se usa. (Ver figura 5-7).

En algunos materiales la transición de deformación elástica a flujo plástico es

abrupta. Esta transición se llama fenómeno de fluencia en esos materiales, al comenzar

la deformación plástica, el valor del esfuerzo baja primero desde el punto de fluencia

superior (σ2). El valor del esfuerzo sigue decreciendo y oscila en torno a un valor

promedio que se define como punto de fluencia inferior (σ1).

Figura 5-7. (a) Determinación del límite elástico convencional al 0,2% de

deformación en el hierro fundido gris y (b) esfuerzo de cedencia superior e inferior

que describe el comportamiento mecánico de un acero al bajo carbono.

Resistencia a la tensión: el esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada es

la resistencia a la tensión o resistencia a la tracción ((σTS), que es el esfuerzo máximo en

la curva de esfuerzo-deformación ingenieril. En muchos materiales dúctiles, la

deformación no permanece uniforme. En algún punto, una región de deforma más que

otras y se presenta una reducción local grande de la sección transversal en dicho punto.

Esta región de deformación local se llama cuello. A este fenómeno se le llama estricción

o formación de cuello. (Askeland, 2004)

Figura 5-8. Formación de Cuello

Propiedades elásticas: La ley de Hooke, para un material cuya curva tensión-

deformación, resulta evidente que la relación entre tensión y deformación es lineal para

los valores relativamente bajos de la deformación. Esta relación lineal entre el

alargamiento y la fuerza axial que lo produce (pues cada una de estas cantidades difiere

solo en una constante de la deformación y la tensión, respectivamente) fue observada

por primera vez por sir Robert Hooke en 1678 y lleva el nombre de ley de Hooke. Por

tanto, para describir esta zona inicial del comportamiento del material, podemos escribir

σ=Exε

Donde E representa la pendiente de la parte recta de la curva tensión-deformación.

Modulo de elasticidad: La cantidad E, es decir, la relación de la tensión unitaria

a la deformación unitaria se suele llamar modulo de elasticidad del material en tracción

o, a veces, modulo de Young. En los manuales aparecen tabulados los valores de E para

diversos materiales usados en la ingeniería. Como la deformación unitaria es un numero

abstracto (relación entre dos longitudes) es evidente que E tiene las mismas unidades

que la tensión, por ejemplo, kg/cm2. Para muchos de los materiales usados en la

ingeniería el modulo de elasticidad en compresión es casi igual al contraído en tracción.

Hay que tener muy en cuenta que el comportamiento de los materiales bajo una carga,

tal como de estudia en este tema, se limita (sin o se dice lo contrario) a esa región lineal

de la curva tensión-deformación. (El Rincón del Vago, 1998).

Figura 5-9. Comparación del Comportamiento Elástico del Acero y Aluminio para

Determinado Esfuerzo, el Aluminio se Deforma Elásticamente 3 veces más que el

Acero

La tenacidad es la cantidad de energía expresada en Julios que un material

absorbe antes de la rotura y viene representada por el área bajo la curva tensión-

deformación del material. El valor de la tenacidad de un material no es único ya que

depende, al igual que otras características de los materiales de la velocidad de aplicación

de la carga, de la temperatura, etc.

Experimentalmente puede medirse también mediante ensayos de impacto ya que

si bien éstos proporcionan una medida de la resiliencia del material, en ensayos a gran

velocidad el valor numérico de ambas características es similar al no producirse

deformaciones plásticas. En condiciones reales y dependiendo de la velocidad de

aplicación de la carga el valor de la tenacidad puede variar entre el valor obtenido en el

ensayo de tracción (baja velocidad) y el de resiliencia (alta velocidad) ya que ambos

ensayos emulan las condiciones extremas de una carga estática y un impacto

respectivamente.

Por lo que respecta a la influencia de la temperatura, al disminuir esta

generalmente se incrementa la resistencia (mayor tensión de rotura) pero se disminuye

la ductilidad (menor deformación) decreciendo la tenacidad del material. Aunque la

tenacidad es un concepto válido para describir el comportamiento de un material y

efectuar comparaciones entre materiales distintos carece de valor práctico, al igual que

la fragilidad o ductilidad del material características éstas con la que está íntimamente

relacionada. Para subsanar esta deficiencia se utiliza la tenacidad a la fractura cuyo

valor permite predecir el comportamiento del material y por tanto su colapso (rotura

frágil). (La Enciclopedia Libre Universal en Español, 2007)

Resiliencia: Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es

deformado elásticamente y devolverla cuando se elimina la carga.

Módulo de resiliencia: corresponde a la energía de deformación por unidad de

volumen, requerida para llevar el material desde una tensión cero hasta el límite

elástico.

Figura 5-10 Curva Esfuerzo-Deformación para dos tipos de Aceros

Cuadro 5-1. Modulo de Resiliencia de Varios Metales

Tenacidad a la tensión: capacidad de absorber energía en el campo plástico,

antes de fracturarse (trabajo de fractura).

Se determina como el área bajo la curva esfuerzo- deformación ingenieril. Esta

superficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen que puede

realizarse sobre el material sin que se produzca rotura

Grafica 5-11.Comparación de las curvas tensión-deformación de dos aceros, con

alta tenacidad y baja tenacidad

Ductilidad: mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin

romperse. El % de elongación describe la deformación plástica permanente antes de la

falla. La reducción porcentual del área describe la cantidad de adelgazamiento que sufre

la muestra durante el ensayo

La fragilidad se define como lo contrario a la ductilidad. Un material poco dúctil

es frágil. Un aumento en resistencia trae consigo una disminución en ductilidad y dado

que ambas características son deseables en un diseño ingenieril, surge el problema de

enfrentar la selección de los materiales que tengan las combinaciones adecuadas de

estas propiedades. (Universidad de Atacama, S/A)

5-8 Esfuerzo Real y Deformación Real.

La disminución del esfuerzo ingenieril al rebasar el punto correspondiente a la

resistencia a la tensión de la curva esfuerzo-deformación ingenieril se relaciona con la

definición del esfuerzo ingenieril.

Figura 5-12.Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la

tracción está indicada en el punto M.

A: área real a la que se aplica la fuerza F

La expresión ln (A0/A) solo se puede usar antes de comenzar la formación de cuello.

Figura 5-13. Relación entre los Diagramas de Esfuerzos Real – Deformación

Unitaria Real y Esfuerzos Ingenieril – Deformación Ingenieril. Las curvas son

idénticas hasta el punto de cedencia.

Para aplicaciones estructurales, con frecuencia no se requieren esfuerzos ni

deformaciones reales. Cuando se rebasa la resistencia de cedencia el material se

deforma. El componente falla porque ya no tiene la forma que se pretendía al principio.

Además, se desarrolla una diferencia apreciable entre las dos curvas solo cuando

comienza la formación de cuello. pero, cuando eso sucede, el componente ya está muy

deformado y ya no sirve para el uso que se pretende. Los ingenieros que trabajan con el

procesamiento de materiales necesitan los datos acerca del esfuerzo y la deformación

reales. (Universidad de Atacama, S/A)

Variables que afectan la curva de tensión:

Figura 5-14. El Efecto de la Temperatura (A) Sobre la Curva Esfuerzo-

Deformación (B) Sobre las Propiedades de Tensión de una Aleación de Aluminio

5-9 Ensayo de Flexión para Materiales Frágiles.

En muchos materiales frágiles no se puede efectuar con facilidad el ensayo debido

a la presencia de defectos de superficie.

Muchas veces con solo colocar un material frágil en las mordazas de la máquina

de tensión se rompe.

Estos materiales se pueden probar utilizando el ensayo de flexión.

El esfuerzo de flexión puro o simple se obtiene cuando se aplican sobre un

cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen

el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos.

Sin embargo y por comodidad para realizar el ensayo de los distintos

materiales bajo la acción de este esfuerzo se emplea generalmente a las mismas

comportándose como vigas simplemente apoyadas, con la carga concentrada en un

punto medio (flexión practica u ordinaria).

En estas condiciones además de producirse el momento de flexión requerido,

se superpone a un esfuerzo cortante, cuya influencia en el cálculo de la resistencia del

material varia con la distancia entre apoyos, debido a que mientras los momentos

flectores aumentan o disminuyen con esta, los esfuerzos cortantes se mantienen

constantes, como puede comprobarse fácilmente en la figura, por lo que será tanto

menor su influencia cuanto mayor sea la luz entre apoyos.

Es por esta razón que la distancia entre los soportes de la probeta se ha

normalizado convenientemente en función de la altura o diámetro de la misma,

pudiendo aceptar entonces que la acción del esfuerzo de corte resulta prácticamente

despreciable. Para ensayos más precisos la aplicación de la carga se hace por

intermedio de dos fuerzas con lo que se logra “flexión pura”.

Esta se lleva acabo aplicando la carga en tres puntos causando flexión, actúa una

fuerza que provoca tensión cobre la superficie, opuesta al punto medio de la probeta. La

fractura iniciara en este sitio.

Resistencia a la flexión = 3 F L

2wh2

Donde F es la carga de fractura, L la distancia entre los dos puntos de apoyo, w

es el ancho de la probeta y h es su altura.

Modulo en flexión = L 3 F

4wh3d

Donde d es la deflexión de la viga al aplicarse una fuerza F. (Aguilar y col, S/A)

Figura 5-15 (a) Para Medir la Resistencia de Materiales Frágiles, se usa con

Frecuencia el Ensayo de Flexión y (b) la Deflexión δ Obtenida por Flexión

Figura 5.16. Comparación del Comportamiento Esfuerzo- Deformación de los

Materiales Frágiles Comparados con el de4 los Materiales Dúctiles.

5-10 Ensayo de Dureza.

Dureza es la resistencia de un material a ser marcado por otro. Se prefiere el uso

de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con otros elementos. Es el caso

de las herramientas de construcción (palas, carretillas, pisos, tolvas). El ensayo es

realizado con indentadores en forma de esferas, pirámides o conos.

Ensayo de dureza

La dureza implica, en general, una resistencia a la deformación permanente.

Puede significar:

Resistencia a la penetración (mecánica del ensayo de materiales)

(a) (b)

Resistencia y tratamiento térmico (ingeniero de diseño)

Según la forma del ensayo:

Dureza al rayado

Dureza a la penetración

Dureza al rebote o dinámica

5-10.1 Ensayo de dureza Rockwell

El ensayo utiliza la profundidad de la penetración bajo carga constante, como

medida de la dureza.

La máquina de ensayo mide en forma automática la profundidad de penetración

del indentador, y la convierte en un número de dureza Rockwell (HR)

Figura 5.17. Ensayo de Dureza Rockwell

El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos:

a)Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del

ensayo Brinell.

b)Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo de

vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150

kilogramos

c)Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas

delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto

se usa la modalidad de pequeñas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de

precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como

Rockwell superficial.

Figura 5.18 (a) Durómetro para Dureza Rockwell (b) Etapas para la Medida de la

Dureza con un Penetrador Cónico de Diamante. La Profundidad t Determina la

Dureza del Material

Cuadro 5.2 Ensayos Rockwell Normalizados

ESCALA  CARGA (kg)  PENETRADOR  MATERIALES TIPICOS

PROBADOS

A 60 Cono de diamante

Materiales duros en

extremo, carburos de

wolframio, etc.

B 100 Bola de 1/16"

Materiales de dureza

media, aceros al carbono

bajos y medios, latón,

bronce, etc.

C 150 Cono de diamante

Aceros endurecidos,

aleaciones endurecidas y

revenidas.

D 100 Cono de diamante Acero superficialmente

cementado.

E 100 Bola de 1/8"

Hierro fundido,

aleaciones de aluminio y

magnesio.

F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.

G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio, bronce

fosforoso, etc.

H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio.

K 150 Bola de 1/8" Hierro fundido,

aleaciones de aluminio.

L 60 Bola de 1/4" Plásticos y metales suaves,

como el plomo.

5-10.2 Ensayo de dureza Brinell

El ensayo consiste en comprimir sobre la superficie del metal, una bola de acero

de 10 mm de diámetro con una carga de 3000 kg.

En los materiales blandos, se reduce la carga a 500 kg.

En metales muy duros se emplea una bola de carburo de wolframio

La carga se aplica por un periodo de tiempo normalizado, generalmente de 30

seg, luego se mide la huella con un microscopio.

Las cargas más livianas corresponden a materiales no ferrosos y puros, tales

como cobre y aluminio; las cargas más pesadas se utilizaran para el hierro, acero y

aleaciones duras.

Los índices de dureza se usan principalmente como base de comparación para

los materiales, especificaciones de fabricación y tratamiento térmico, control de calidad

y correlación con otras propiedades y comportamiento de los materiales. Por ejemplo, la

dureza Brinell está muy estrechamente relacionada con la resistencia a la tensión del

acero mediante la relación:

Resistencia a la tensión = 500 BHN.

5-10.3 Ensayo de dureza Vickers

Se emplea como identador una pirámide de diamante de base cuadrada, las caras

opuestas de la pirámide forman un ángulo de 136º (corresponde a la relación óptima de

diámetro de huella a diámetro de bola en el ensayo Brinell)

Se define como la relación de la carga al área de la superficie de la huella. Sus

cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco). Se emplea Vickers para laminas

tan delgadas como 0.006 pulgadas

Figura 5.20 Ensayo de dureza Vickers

Cuadro 5.3. Comparación de Ensayo de Dureza Típicos

Cuadro 5.4 Ensayo de Dureza

(Universidad de Atacama, S/A)

5-11 Ensayo de Impacto

Cuando un material se somete a un golpe repentino y violento, donde la

velocidad de deformación es extremadamente rápida, se puede comportar en una forma

mucho más frágil que la que se observa en el ensayo de tensión. Se utiliza el ensayo de

impacto para evaluar la fragilidad de un material.

• Ensayo de Charpy: metales, aleaciones, cerámicas

• Ensayo de Izod: plásticos

Figura 5.22 El ensayo de impacto (a) ensayo de Charpy e Izod (b) dimensiones de

muestras normales

Durante el ensayo, un péndulo pesado (45 kg) que inicia su movimiento a una

altura h0, describe un arco, golpea y rompe la probeta, y llega a una altura final h f

menor.

Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la

diferencia de la energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto que absorbió

la muestra cuando falló

La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura.

Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio

aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.

Figura 5.23 Probetas, Antes y Después del Ensayo

Ensayo de Charpy: joule (J), lb pie

Ensayo de Izod: J/m, lb pie/pulg

1 lb pie = 1,356 J

Los valores obtenidos en este ensayo pueden diferir fuertemente si se realiza a

diferentes temperaturas

La capacidad de un material para resistir el impacto de un golpe se llama

tenacidad al impacto. (Universidad de Atacama, S/A)

5-11.1 Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto:

Temperatura de transición de dúctil a frágil: es aquella a la cual un material

cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil.

Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de servicio deberá tener

una temperatura de transición por debajo de la temperatura de operación determinada

por el ambiente que rodea al material. (Universidad de Atacama, S/A)

Figura 5.24 Ensayos de Impacto para un Polímero Termoplástico de Nylon

Supertenaz

No todos los materiales tienen una temperatura de transición definida

Figura 5.25 La estructura cristalina FCC normalmente absorbe mayor energía, sin

mostrar temperatura de transición

Figura 5.26 Influencia del contenido de carbono sobre el comportamiento dúctil-

frágil de un acero de baja aleación.

5-12 Mecánica de la Fractura.

Una fractura, es la separación de un sólido bajo tensión en dos o más piezas. Los

mecanismos de fractura suelen clasificarse en frágiles o dúctiles según la deformación

plástica que acompaña a la rotura: una gran cantidad de deformación plástica suele estar

asociada con la fractura dúctil, mientras que lo opuesto es sinónimo de fractura frágil.

En el caso de los metales la fractura ocurre comúnmente por uno de los siguientes

mecanismos:

Fractura dúctil

Descohesión transgranular (clivaje)

Fractura intergranular. (Anderson, 2005).

5-12.1 Fractura frágil

Existe un gran número de materiales que a temperaturas altas o velocidades de

deformación pequeñas se deforman plástica o visco-plásticamente, pero que a bajas

temperaturas o velocidades de deformación elevadas muestran fractura frágil. Este

comportamiento es exhibido por metales con estructura cristalina BCC, polímeros en

estado vítreo, vidrios y sales iónicas. En el caso de los metales BCC, por ejemplo, se

encuentra que el límite elástico aumenta rápidamente al disminuir la temperatura, lo

cual coincide con una transición en la fractura de dúctil a frágil. Este comportamiento

suele ser descrito de forma tradicional por medio de la variación de la energía absorbida

en el ensayo de resiliencia (Fig. 5-27). Para temperaturas superiores a la temperatura de

transición, TR, la rotura se produce fundamentalmente por coalescencia de cavidades y

la energía absorbida es elevada. Por el contrario, a temperaturas inferiores a TR, la

fractura viene dada por un mecanismo frágil (descohesión transgranular, usualmente

denominado clivaje, o bien fractura intergranular) y la energía absorbida es pequeña.

Figura 5.27Energía de fractura por impacto para un acero al carbono

Existen diferentes modelos en mecánica de fractura en función de las

propiedades de los materiales. Así:

Comportamiento elástico-lineal, independiente del tiempo (aceros de alta

resistencia, cerámicas).

Comportamiento elasto-plástico no lineal, independiente del tiempo (aceros de baja

y mediana resistencia).

Comportamiento dependiente del tiempo, en donde a su vez se distinguen:

Dinámico (metales a altas tasas de deformación).

Visco-elástico (polímeros).

Visco-plástico (metales a altas temperaturas). (Anderson, 2005).

5-12.2 Criterios de fracturas

El estudio de la fractura para el comportamiento elástico-lineal, reconoce dos

criterios importantes, que finalmente resultan equivalentes:

Criterio de energía, que compara la energía de deformación con la incorporada por

un esfuerzo externo.

Criterio de intensidad de esfuerzo, que asume un factor proporcional válido para

todos los esfuerzos componentes en el extremo de la grieta.

La fractura de un material comienza en el lugar donde la concentración de

tensión es lo más grande posible, como lo es la punta de una grieta. (Anderson, 2005).

Figura 5.28 Placa Bajo Tensión Uniaxial que Contiene una Grieta en el Borde o en

su Interior. La tensión en la Grieta es Mayor en la Punta de la Grieta.

5-12.3 Importancia de la mecánica de la fractura.

La mecánica de fractura es una herramienta importante para mejorar el

desempeño mecánico de materiales y componentes. Ésta aplica la física de tensión y

cortante, en particular las teorías de elasticidad y plasticidad, a los defectos

cristalográficos microscópicos de los materiales para predecir la fractura macroscópica

mecánica en los cuerpos. La Fractografía es altamente utilizada en la mecánica de

fractura para entender las causas de falla y también verifica las predicciones teóricas

identificando las fallas reales.

En muchos casos, las fracturas en estructuras de ingeniería pueden ser fatales; un

ejemplo es el del desastre del puente Tay Rail. En ocasiones estos desastres de

ingeniería son originados por grietas, ya sean surgidas durante la producción o durante

el tiempo de servicio (por ejemplo fatiga). Un ejemplo sería el caso de crecimiento de

grietas en tanques a presión debido al efecto de propagación de grietas puede causar una

explosión fatal. Si la fractura es inevitable, es preferible que sea por colapso o por fuga

antes que por rotura, ya que esta causa suele ser imprevisible y más destructiva. Por

tanto se puede decir que las grietas alteran la resistencia de la estructura al generar

tensiones distintas a las previamente diseñadas por lo que se vuelve necesario describir

los procesos de fractura y evaluar la resistencia de las estructuras fracturadas.

(Enciclopedia Wikipedia, 2010).

5-13 Ensayo de Fatiga

Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos

variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los

materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras,

están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia. Es el caso de los

árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los cojinetes, los muelles, Cuando

un material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentido continuamente,

se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión

constante. Si a un material se le aplican tensiones repetitivas (cíclicas) de tracción,

compresión, flexión, torsión, etc., comenzaremos por medir los valores de los esfuerzos

a que están sometidas las piezas

El valor máximo de la tensión a que está sometida

El valor mínimo de la tensión

La diferencia entre el valor máximo y mínimo

El valor medio (σmed)

Existe un valor de ΔσF por debajo del cual no se produce rotura por fatiga. Es el

límite de fatiga. La carga de fatiga es repetitiva (cíclica) y posee un valor máximo y

mínimo en cada ciclo. Pues bien, la diferencia entre ambos valores (ΔσF) es el límite de

fatiga, independientemente del número de veces que se repite la acción.

En la figura 5.29, se observa uno de los ciclos de los esfuerzos variables a los

que está sujeto el material. Estos ciclos se repiten, aunque no necesariamente deben ser

iguales. Si la diferencia entre el esfuerzo máximo (σmax) y el esfuerzo mínimo (σmin)

que sufre la pieza en un determinado ciclo supera el valor (ΔσF), entonces se corre el

riesgo de rotura si este fenómeno se repite durante varios ciclos. (Villalba, 2009).

Figura 5.29 Ensayo de Fatiga

5-13.1 Aplicación del ensayo de fatiga

El método para determinar el comportamiento de los materiales bajo cargas

fluctuantes. Se aplican a una probeta una carga media específica (que puede ser cero) y

una carga alternante y se registra el número de ciclos requeridos para producir la falla

del material (vida a la fatiga). Por lo general, el ensayo se repite con probetas idénticas y

varias cargas fluctuantes. Las cargas se pueden aplicar axialmente, en torsión o en

flexión. Dependiendo de la amplitud de la carga media y cíclica, el esfuerzo neto de la

probeta puede estar en una dirección durante el ciclo de carga o puede invertir su

dirección. Los datos procedentes de los ensayos de fatiga se presentan en un diagrama

S-N, que es un gráfico del número de ciclos necesarios para provocar una falla en una

probeta contra la amplitud del esfuerzo cíclico desarrollado. El esfuerzo cíclico

representado puede ser la Amplitud de esfuerzo, el esfuerzo máximo o el esfuerzo

mínimo. Cada curva del diagrama representa un esfuerzo medio constante. La mayoría

de los ensayos de fatiga se realizan en máquinas de flexión, de vigas rotativas o de tipo

vibratorio. (Enciclopedia Wikipedia, 2010)

El método fundamental para presentar los datos de fatiga es la curva de Wohler,

también llamada simplemente curva de fatiga o curva S-N (Stress-Number of cicles).

Representa la duración de la probeta, expresada en número de ciclos hasta la rotura, N,

para la máxima tensión invertida aplicada, un punto con una flecha horizontal indica

una probeta que no ha roto. La mayor parte de las investigaciones sobre la fatiga se han

realizado empleando las máquinas de flexión rotativa, en las que la tensión media es

nula.

El número de ciclos que dura una probeta antes de fallar aumenta al disminuir la

tensión. N es el número de ciclos de tensión necesarios para producir la fractura

completa de la probeta. Es la suma del número de ciclos que hacen falta para que se

inicie una grieta y el de los que transcurren durante la propagación de la grieta hasta la

rotura total. No suele hacerse distinción entre estos dos sumandos, aunque puede

apreciarse que el número de ciclos que necesita la propagación de la grieta depende de

las dimensiones de la probeta. Los ensayos de fatiga a tensión baja suelen realizarse a

107 ciclos y algunas veces, para materiales no ferrosos, se prolongan a 5·108 .En algunos

materiales.

Por debajo del límite de fatiga, se presume que el material durará un número

infinito de ciclos sin romperse. La mayoría de los metales no férreos, como las

aleaciones de aluminio, las de magnesio y las de cobre, tienen una curva de Wohler

cuya pendiente disminuye progresivamente al aumentar el número de ciclos,

aproximándose a una horizontal, pero sin llegar a serlo nunca. No tienen, por tanto, un

verdadero límite de fatiga. En estos casos es práctica corriente caracterizar las

propiedades de fatiga del material expresando la resistencia a la fatiga para un número

de ciclos convenido arbitrariamente, como 108.

. El procedimiento usual para determinar una curva de Wohler consiste en ensayar

la primera probeta a una tensión elevada, a la que es de esperar que se rompa después de

un corto número de ciclos, por. ejemplo., una tensión aproximadamente igual a los dos

tercios de la resistencia a la tracción estática del material. La tensión se va

disminuyendo en el ensayo de cada una de las probetas sucesivas hasta que una o dos no

rompen en el número especificado de ciclos, que suele ser de 107 por lo menos. La

tensión máxima a la que se consigue que una probeta no rompa, después de un número

indefinido de ciclos, se toma como límite de fatiga. Tratándose de materiales que no

presentan límite de fatiga se suele dar por terminado el ensayo, por razones prácticas, a

una tensión baja, a la que la probeta dure aproximadamente 108 o 5·108 ciclos. Para

determinar la curva se necesitan normalmente de 8 a 12 probetas. El esfuerzo también

puede representarse en una escala logarítmica y se ha pretendido que los resultados

puedan representarse por una línea recta cuando se utilice una representación doble

logarítmica. Esta pretensión no está de acuerdo con la práctica, sobre todo si se incluyen

los resultados a gran número de ciclos. (Shigley y Mischke, 1990).

Figura 5.30 Curva de Wohler

5-14 Ensayo de Termofluencia.

Si se aplica esfuerzo a alta temperatura, ese material se estirará y acabará por

fallar, aún cuando el esfuerzo aplicado sea menor que la resistencia de cedencia a esa

temperatura. Una deformación permanente que depende del tiempo, bajo una carga o un

esfuerzo constante y a altas temperaturas, se llama termofluencia. Una gran cantidad de

fallas que suceden en parte que se usen a altas temperaturas se pueden atribuir a la

termofluencia o a una combinación de fluencia y fatiga. En esencia, en la termofluencia

el material empieza afluir con lentitud. La difusión, deslizamiento y ascenso de

dislocaciones o el deslizamiento entre límites de grano puede contribuir a la

termofluencia en materiales metálicos. Los materiales poliméricos también muestran

esta termofluencia. En los metales y materiales dúctiles sometidos a termofluencia, la

fractura se acompaña de formación de cuello, nucleación y coalescencias de huecos o

por deslizamiento en límites de granos. Ver figura 5.31.

Figura 5.31 Deslizamiento de Límites de Granos Durante la Termofluencia;

Causa (a) la Formación de Huecos en una Inclusión Atrapada en el ´Límite de

Grano y (b) la Creación de un Hueco en un Punto Triple, en donde hay Tres

Granos En Contacto.

Se considera que un material falló por termofluencia aunque en realidad no se

halla fracturado. Cuando un material fluye y después se rompe finalmente, se define a la

fractura como ruptura por esfuerzo. Normalmente, la fractura de rupturas dúctiles por

esfuerzo incluye un cuello y la presencia de muchas grietas que no tuvieron la

oportunidad de producir la fractura final. Además, los granos cerca de la superficie de

fractura tienden a ser alargados. Las fallas por ruptura dúctil suceden en general cuando

la velocidad de fluencia es alta, la temperatura de exposición es relativamente baja y

tienen tiempos de rupturas cortos. Las fallas de rupturas frágiles muestran poca

formación de cuello y con frecuencia ocurren a más bajas velocidades de fluencia y a

altas temperaturas. Cerca de la superficie aparecen granos equiaxiales. Las fallas de

ruptura frágil por esfuerzo suelen presentarse con la formación de huecos en la

intersección de tres límites de granos y la incidencia de otros huecos a lo largo de los

límites de granos por procesos de difusión. Ver figura 5.32. (Askeland, 2004).

Figura 5.32 Cavidades de Termofluencia que se Forman en los Límites de Granos

de un Acero inoxidable Austenítico.

5-14.1 Evaluación del comportamiento de termofluencia.

Para determinar las características de termofluencia de un material, se aplica un

esfuerzo constante a un espécimen calentado a cierta temperatura, en un ensayo de

termofluencia. Tan pronto como se aplica el esfuerzo, el espécimen se estira en forma

elástica una pequeña cantidad ε0. (Figura 5.33), dependiendo del esfuerzo aplicado y del

módulo de elasticidad del material a esa alta temperatura. También se pueden hacer

ensayos de termofluencia con carga constante, lo cual es importante desde el punto de

vista de diseño de ingeniería. (Askeland, 2004).

Figura 5.33 Curva Típica de Termofluencia que Muestra la Deformación

Producida en Función del Tiempo para un Esfuerzo y una Temperatura

Constante.

5-14.2 Ascenso de dislocaciones

La temperatura alta permiten que las dislocaciones asciendan en un metal, en

consecuencia, los átomos se mueven por difusión hacia o desde la línea de dislocación,

haciendo que la dislocación se mueva en una dirección perpendicular, no paralela, al

plano de deslizamiento. (Figura 5.34). La dislocación escapa de las imperfecciones de la

red, continúa deslizándose y causa deformación adicional del espécimen, incluso en un

esfuerzo bajo. (Askeland, 2004).

Figura 5.34 Las Dislocaciones Pueden Ascender(a) Cuando los átomos

Dejan las Líneas de Dislocación y Crean Intersticios o Llenan Vacancias o (b)

Cuando los Átomos se Fijan a la Línea de Dislocación Creando Vacancias o

Eliminado Intersticios.

5-14.3 Velocidad de Termofluencia y Tiempos de Rupturas.

Durante el ensayo de termofluencia, se mide la deformación unitaria en función

del tiempo y se grafica la curva de termofluencia. (Ver figura 5.34). En la primera

etapa de la termofluencia de los metales muchas dislocaciones suben alejándose de los

obstáculos, se deslizan y contribuyen a la deformación. Al final, la rapidez, con que las

dislocaciones suben alejándose de los obstáculos es igual a la rapidez con que otras

imperfecciones bloquean a las dislocaciones. Esto causa la segunda etapa de la

termofluencia, o termofluencia de estado estacionario. La pendiente de la región en

estado estacionario de la curva de termofluencia es la velocidad de termofluencia:

Finalmente, durante la tercera etapa de termofluencia, comienza la formación de

cuello, aumenta el esfuerzo y el espécimen se deforma con una rapidez acelerada, hasta

que se presenta la falla. El tiempo necesario para que se presente la falla es el tiempo de

ruptura. El tiempo de ruptura se reduce a mayor esfuerzo o a mayor temperatura. (Ver

figura 5.35). (Askeland, 2004).

Figura 5.35 Efecto de la Temperatura o el esfuerzo Aplicado Sobre La Curva de

Termofluencia.

La influencia combinada del esfuerzo aplicado y de la temperatura sobre la

velocidad de termofluencia y el tiempo de ruptura (tr), se rige por una relación de

arrhenius:

)

K )

Donde R es la constante de los gases, T es la temperatura en ºK y C, K, n y m

son constantes del material. Qc es la energía de activación para la termofluencia y Q r es

la energía de activación para la ruptura. En particular, Qc se relaciona con la energía de

activación para la auto difusión, cuando es importante el ascenso de dislocaciones.

(Askeland, 2004).

5-14.4. precauciones para evitar fallas por termofluencia

1) Seleccionar adecuadamente los metales y aleaciones resistentes a altas

temperaturas.

2) Evaluar cuidadosamente las condiciones de diseño, para que los niveles de

esfuerzos de los materiales cumplan las condiciones previstas en los códigos de

fabricación.

3) Mantener las temperaturas de operación por debajo de las de diseño y evitar la

presencia de puntos calientes que ocasionen el deterioro localizado del material.

4) Inspeccionar cuidadosamente los equipos susceptibles, a fin de detectar deterioro

por termofluencia antes de que se produzca la ruptura del material. (Coronel, 2002).

CAPÍTULO VI

PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES.

En todos los materiales sometidos a campos eléctricos se modifican, en mayor o

menor grado, las distribuciones espaciales relativas de las cargas negativas (electrones)

y positivas (núcleos atómicos). Este fenómeno se denomina polarización eléctrica y es

más notorio en los aisladores eléctricos debido a la ausencia de apantallamiento del

campo eléctrico aplicado por los electrones libres. Los materiales con alta capacidad de

polarización se usan en la construcción de condensadores eléctricos y se denominan

dieléctricos. Aquellos cuya polarización es permanente (electretos y materiales ferro

eléctricos) se usan para fabricar dispositivos como micrófonos y altavoces, entre otros.

En este capítulo el objetivo primordial es mostrar cómo los principios estudiados

con anterioridad se pueden utilizar para modificar los materiales eléctricos. Además de

considerar algunos conceptos básicos relacionados con la conductividad de los

materiales y otros de importancia como lo son los dieléctricos y piezoeléctricos.

6-1 Conductores.

Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es

decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Todos los

metales son conductores, unos mejores que otros. (Soto, S/A)

6-2 Semi-conductores.

Son materiales poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fácilmente

de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica energía exterior.

Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio; principalmente

cerámicos. (Soto, S/A)

6-3 Aislantes o Dieléctricos.

Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto,

son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos

aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster; en lo que integran una gran

cantidad de materiales cerámicos y materiales polímeros. (Soto, S/A)

Figura. 6-1 Variación de la Conductividad con la Temperatura.

6-4 Conductividad.

La conductividad eléctrica es la capacidad de un medio o espacio físico de

permitir el paso de la corriente eléctrica a su través. También es definida como la

propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los

electrones pueden pasar por él. (Soto, S/A)

6-5 Enlace Iónico.

Consiste en la atracción electrostática entre átomos con cargas eléctricas de

signo contrario. Este tipo de enlace se establece entre átomos de elementos poco

electronegativos con los de elementos muy electronegativos. Cuando una molécula de

una sustancia contiene átomos de metales y no metales, los electrones son atraídos con

más fuerza por los no metales, que se transforman en iones con carga negativa; los

metales, a su vez, se convierten en iones con carga positiva. Entonces, los iones de

diferente signo se atraen electrostáticamente, formando enlaces iónicos. (Soto, S/A)

6-6 Enlace Covalente.

La combinación de no metales entre sí no puede tener lugar mediante este

proceso de transferencia de electrones, en estos casos, el enlace consiste en una

compartición de electrones; el enlace covalente es la formación de pares electrónicos

compartidos, independientemente de su número. El par compartido es aportado por sólo

uno de los átomos formándose entonces un enlace que se llama coordinado o dativo. Si

los átomos son no metales pero distintos (como en el óxido nítrico, NO), los electrones

son compartidos en forma desigual y el enlace se llama covalente polar porque la

molécula tiene un polo eléctrico positivo y otro negativo, y covalente porque los átomos

comparten los electrones, aunque sea en forma desigual. Estas sustancias no conducen

la electricidad, ni tienen brillo, ductilidad o maleabilidad. (Soto, S/A)

6-6.1 Punto de fusión.

El punto de fusión de un elemento o compuesto es la temperatura a la cual la

forma sólida del elemento o compuesto se encuentra en equilibrio con la forma líquida.

Normalmente se asume que la presión del aire es de 1 atmósfera.

Por ejemplo: el punto de fusión del agua es de 0oC, o 273 K. (Soto, S/A)

6-6.2 Conductividad.

Conductividad es la capacidad de conducir. Aplicado a diferentes ámbitos puede

referirse a:

Conductividad eléctrica, capacidad de un medio o espacio físico de conducir la

electricidad.

Conductividad molar, conductividad eléctrica cuando existe 1 mol de electrolito

por cada litro de disolución.

Conductividad térmica, capacidad de los materiales para conducir el calor.

Conductividad hidráulica

Conductividad capilar (Enciclopedia Wikipedia, 2010)

6-7 Conductividad Eléctrica

Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través

de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que

representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los

semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las

características más importantes de los materiales.

La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto , y su unidad

es el S/m (siemens por metro).

No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito

para conducir corriente eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la

resistencia: (Enciclopedia Wikipedia, 2010)

Primero consideraremos la conductividad desde el punto de vista de la ingeniería

a gran escala y luego veremos cómo esas mismas relaciones se pueden desarrollar a partir

del conocimiento de las partículas elementales. Si tomamos un alambre y le aplicamos

un potencial E, la corriente 1 que fluye dependerá de la resistencia del circuito R, como

lo dice la conocida ley de Ohm: 1 = E/R. Ahora, la resistencia depende de la naturaleza

del alambre: un alambre de cobre tiene una menor resistencia que un alambre de hierro

del mismo calibre (longitud y sección transversal). Utilizamos el término resistividad

(p) para caracterizar la facultad inherente del alambre para afectar el flujo de corriente

y al multiplicarla por 1/A obtenemos la resistencia:

A m2

R= 13 A o p= R — = ohmio m= ohmio-m

Donde R = resistencia, p = resistividad, 1 = longitud del alambre y A = área

de la sección transversal del alambre.

Por lo expuesto, es más positivo y simple suponer que el material es conductor en

lugar de resistir el paso de corriente; empleamos así el muy conocido parámetro

conductividad en lugar de resistividad. Esta es el recíproco de la resistividad:

mho

o = -1 - (ohmio -m)-1 =____

p m

Ahora examinemos los factores estructurales que influyen en la conductividad. Si

tenemos un cubo de material con aristas de 1 m, la conductividad entre las caras

opuestas dependerá directamente de tres factores:

1. El número de portadores de carga, n (portadores/m.3).

2. La carga por portador, q (culombios/portador).

3. La movilidad de cada portador, (m/seg) (volt/cm).

La conductividad dependerá del producto de estos tres factores:

Verificando las unidades, tenemos,

Puesto que cul = A-seg y volts = A- ohmio,

Tal como en el ejemplo a gran escala. Es importante comprender esto porque

estudiaremos cómo las propiedades eléctricas a gran escala se deben al movimiento.

Eléctrico de los iones 0-2 alrededor de Fe3+ está ajustado por un Fe2'. Podemos

visualizar el movimiento de tres electrones, cada uno moviéndose una distancia unitaria

hacia la izquierda. Como resultado del movimiento del primer electrón, el Fe2* indicado

con "A" se convierte en Fe2H en el paso 1, luego el Fe2* indicado con "B", en el paso 2 y así

sucesivamente. Puesto que tenemos un movimiento de electrones, tenemos conductividad.

Sin embargo, en lugar de seguir la pista de los pequeños movimientos de muchos

electrones, es más sencillo enfocar el movimiento de la vacancia. En lugar de decir que

tres electrones (cargas negativas) se mueven tres unidades de distancia hacia la

izquierda, decimos que una carga positiva se mueve la misma distancia total hacia la

derecha de (A) a (D). Así, clasificamos una vacancia electrónica como un portador de

carga con una magnitud de carga de un electrón pero con signo opuesto.

En los metales ya tenemos una visión parcial de la unión metálica en la cual los

electrones de valencia son aportados por el átomo cuando éste se convierte en un ion

en la celda unitaria. Por lo tanto, esperamos encontrar una gran movilidad de estos

portadores de carga. Tenemos que refinar esta idea un poco para explicar por qué un metal

con dos electrones, por ejemplo el magnesio (2.5 x 107 mho/m), no tiene mejor

conductividad que el cobre y la plata con un electrón de valencia y por qué el silicio con

cuatro electrones tiene baja conductividad (4 x 10-6mho/m). Para explicar esto y otros

conceptos importantes, tenemos que utilizar el "modelo de banda", planteamiento

opuesto al pensamiento clásico. Estudiemos el modelo y su explicación de la

conductividad. (Van Vlack, 1984)

Cuadro 6.1 Conductividades Eléctricas

Conductividad Eléctrica

(S·m-1)Temperatura(°C)

Plata 63,01 × 106 20

Cobre 59,6 × 106 20

Cobre Templado 58,0 × 106 20

Oro 45,5 × 106 20-25

Aluminio 37,8 × 106 20

Agua de mar 5 23

Agua potable 0,0005 a 0,05

Agua desionizada 5,5 × 10-6

6-8. Conducción en Polímeros

Los polímeros tienen una estructura de banda con una gran brecha de energía, lo

cual indica que su conductividad eléctrica es bien baja. Esto se debe a que los electrones

de valencia en estos tupos de materiales toman parte en enlaces covalentes. Los

polímeros por ello se utilizan en aplicaciones en los cuales se requieren aislamiento

eléctrico para evitar cortocircuitos y descargas. Los polímeros en pocas palabras

consisten en un buen material dieléctrico. No obstante debido a la baja conductividad,

en muchos casos suelen acumular electricidad estática y crean campos electroestáticos

que producen daños a los materiales que aíslan debido a las pequeñas descargas

contrarias que llegan a causar.

La resistividad en un polímero puede reducirse agregando compuestos iónicos.

Esto se debe a que los iones pueden viajar libremente por la superficie del polímero

atrayendo partículas de agua (humedad) y disipando así la estática. Otra forma de

disminuir la resistividad de un polímero es por medio de la adición de partículas de

grafito u otro material de mayor conductividad. Por ocasiones, aditivos de este tipo

pueden ser fibras conductoras por medio de un proceso o dopado que consiste en

agregar de manera intencional un pequeño número de átomos de impureza en el

material. Cuando ocurre esto se aumenta la conductividad de los polímeros

convirtiéndolos en semiconductores denominados extrínsecos. Lo que ocurre es que los

electrones pueden así saltar libremente de un átomo a otro a lo largo de la cadena (de

carbonos, propias de los polímeros), incrementando de tal manera la conductividad lo

suficiente. Específicamente entonces, un semiconductor extrínseco, es un material

aislante al cual se le agrega intencionalmente (mediante dopado) una pequeña cantidad

de átomos de impureza. La conductividad de dicho conducto dependerá entonces de la

concentración de impureza (o dopante) que tenga el material, en este caso polímero.

Ejemplo de estos materiales son los polímeros de acetal y la poliftalocianina.

6-9 Conductividad en los Cerámicos: Propiedades Dieléctricas.

La mayoría de los materiales cerámicos no son conductores de cargas móviles,

por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza,

permite usarlos en la generación de energía y transmisión. No así una subcategoría del

comportamiento eléctrico aislante de los cerámicos la propiedad dieléctrica. Un buen

material dieléctrico es aquel que es capaz de mantener el campo magnético a través de

él y sin inducir pérdida de energía. Los materiales cerámicos es usada para la pérdida

progresiva de di electricidad de alta frecuencia, usada en aplicaciones como microondas

y radio transmisores. A partir de esto, los materiales dieléctricos o aislantes se emplean

en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su

capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las

mismas. (Soto, S/A)

6-10. Teoría de Superconductividad: Materiales Metálicos y Cerámicos

Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto,

las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A

partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales

superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a

temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se

vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin

colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero

absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales

impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor. (Soto, S/A)

6-11. Materiales Metálicos Superconductores

En algunos metales aparece un efecto de superconductividad cuando son

enfriados a muy baja temperatura. Su resistencia desaparece por debajo de una

temperatura crítica que es específica para cada material. Ciertos metales; especialmente

aquellos que tienen bajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de fácil

obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos o

residuales, y así exhiben semejanzas en su comportamiento en el estado superconductor.

Estos materiales superconductores reciben el nombre de superconductores Tipo I. En

cambio, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales impuros

es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma cómo resultan

afectados en el estado superconductor en presencia de un campo eléctrico o magnético.

Estos superconductores se denominan superconductores Tipo II. (Soto, S/A)

6-12. Materiales Cerámicos Superconductores

Existen superconductores cerámicos los cuales son materiales comúnmente

denominados como perovskitas. Las perovskitas son óxidos metálicos que exhiben una

razón estequiométrica de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal; son también

típicamente mezclas de muchos diferentes metales. Por ejemplo, un caso es el

superconductor Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7, en el cual los metales presentes son el Itrio, Bario y

Cobre. Las perovskitas como material cerámico, comparten muchas propiedades con

otros cerámicos (Soto, S/A)

Figura. 6-3 Dependencia de la Conductividad Térmica con la Temperatura para

Varios Materiales Cerámicos.

6-13.Polarización y Piezoelectricidad:

6-13.1.Metales semiconductores y cerámicos

Es importante explicar que cuando uno aplica un campo magnético a un metal

semiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento de dipolos

contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen

carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicación de un campo eléctrico dichos

dipolos se alinean causando una polarización. La polarización ocurre cuando un lado de

este átomo o molécula se hace ligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto,

es decir, se crean dipolos debidos al campo eléctrico. Existen cuatro mecanismos de

polarización:

• Polarización electrónica: Consiste en la concentración de los electrones en el

lado del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto produce una distorsión

del arreglo electrónico, y así el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este

efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.

• Polarización iónica: Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente

cuando se colocan en un campo eléctrico debido a las fuerzas que actúan sobre los

átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuye dentro del

material microscópicamente. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo

de la dirección de campo causando polarización y llegando a modificar las dimensiones

generales del material.

• Polarización molecular: Algunos materiales contienen dipolos naturales, de

modo que cuando se les aplica un campo giran, hasta alinearse con él. No obstante,

existen algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los dipolos se

mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo.

(Soto, S/A)

6-13.2.Piezoelectricidad propiedad eléctrica de los cerámicos

Los materiales piezoeléctricos transforman la energía mecánica (o energía

sonora) en energía eléctrica (efecto piezoeléctrico directo), y así lo que ocurre es que al

someter el material a la acción mecánica de la compresión o tracción, las cargas de la

materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga; o puedo ocurrir lo

opuesto (efecto piezoeléctrico inverso). Esta polarización es la causante de que salten

las chispas. (Soto, S/A)

CAPÍTULO VII

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

En este capítulo veremos la relación de las propiedades magnéticas con la

estructura en dos grupos de materiales: los metálicos y los cerámicos. Veremos que

en cada grupo se ha presentado recientemente un crecimiento importante para satisfacer

las demandas de la industria electrónica.

7-1Permeabilidad Magnética

La permeabilidad de un vacío es lo = 4-rr x 10 henry/m. Ahora, si

introducimos un material en el mismo espacio, obtenemos un nuevo valor para p.

porque el mismo campo aplicado producirá una densidad de flujo diferente B. En lugar

de analizar el valor absoluto, es útil considerar el valor relativo comparado con el del

vacío. Definimos la permeabilidad relativa como:

Para vacío,}1, = 110 y la, = 1.0. Después de determinar II, para una gran

variedad de materiales, encontramos que estos caen dentro de tres clases generales:

1. Si pr es menor que 1 por aproximadamente 0.00005, el material se denomina

diamagnético.

2. Si ir es ligeramente mayor que 1 (hasta 1.01), el material se denomina paramagnético.

3. Si ptr es mucho mayor que 1 (hasta 106), el material se denomina ferro magnético o,

en el caso de los imanes cerámicos, ferri magnético. .(Van Vlack, 1984)

De acuerdo a sus propiedades magnéticas y cuando los materiales se someten a

un campo magnético, estos se pueden clasificar en:

7-1.1 Diamagnéticos

Los materiales diamagnéticos son `débilmente repelidos' por las zonas de campo

magnético elevado. Cuando se someten a un campo, los dipolos se orientan produciendo

campos magnéticos negativos, contrarios al campo aplicado. Los valores de

susceptibilidad de estos materiales es pequeña y negativa y su permeabilidad próxima a

la unidad. También estos materiales son una forma muy débil de magnetismo, la cual es

no permanente y persiste no solamente cuando se aplica un campo externo. (Valbuena,

2003).

7-1.2Paramagnéticos

Los materiales paramagnéticos son débilmente atraídos por las zonas de campo

magnético intenso. Se observa frecuentemente en gases. Los momentos dipolares se

orientan en dirección al campo, y tiene permeabilidades próximas a la unidad y su

susceptibilidad es pequeña pero positiva. Este efecto desaparece al dejar de aplicar el

campo magnético. Es decir que el paramagnetismo se produce cuando las moléculas de

una sustancia tienen un momento magnético permanente. El campo magnético externo

produce un momento que tiende a alinear los dipolos magnéticos en la dirección del

campo. La agitación térmica aumenta con la temperatura y tiende a compensar el

alineamiento del campo magnético. En las sustancias paramagnéticas la susceptibilidad

magnética es muy pequeña comparada con la unidad. (Valbuena, 2003).

7-1.3 Ferro magnéticos.

Se caracterizan por ser siempre metálicos, y su intenso magnetismo no es debido

a los dipolos. Este magnetismo puede ser conservado o eliminado según se desee, los 3

materiales ferro magnéticos son el hierro, el cobalto y el níquel. La causa de este

magnetismo son los electrones desapareados de la capa 3d, que presentan estos

elementos. Como se ha indicado, los materiales ferro magnéticos afectan drásticamente

las características de los sistemas en los que se los usa. Los materiales (Valbuena,

2003).

7-2. Tipos de Materiales Magnéticos

Materiales magnéticos metálicos: los materiales magnéticos metálicos

comerciales más importantes son ferro magnéticos. En general, esos materiales se

clasifican como blandos o duros. Los factores estructurales constitutivos que llevan a la

dureza magnética son generalmente los mismos que los que provocan la dureza

mecánica.

Materiales magnéticos blandos: se denomina materiales magnéticos blandos a

los materiales ferro magnético con paredes de dominios magnéticos que se mueven

fácilmente cuando se aplica un campo; es decir, que se pueden desmagnetizar.

Materiales magnéticos duros: son aquellos con menor movilidad de las

paredes de los dominios, lo que los hace ideales como imanes permanentes y usados

raramente en aplicaciones de potencia de corriente alterna.

Materiales magnéticos cerámicos: los materiales magnéticos cerámicos pueden

dividirse en dos categorías:

Materiales magnéticos de baja conductividad: los materiales magnéticos

cerámicos tradicionales, de importancia comercial, son ferri magnéticos, tienen la baja

conductividad características de los cerámicos. Los principales ejemplos son las ferritas,

basadas en la estructura cristalina de la espinela inversa.

Materiales magnéticos superconductores: los magnéticos superconductores

más potentes pertenecen a una familia de óxidos cerámicos, tradicionalmente incluidos

en la categoría de aislante, presentaban superconductividad con valores de temperatura

crítica sensiblemente mayores de los que era posible conseguir con los mejores

superconductores metálicos. (Valbuena, 2003).

7-3 Aplicaciones del Magnetismo:

Numerosas aplicaciones de magnetismo y de materiales magnéticos se ha

levantado en los últimos 100 años. Por ejemplo, el electroimán es la base del motor

eléctrico y el transformador. En los más recientes tiempos, el desarrollo de nuevos

materiales magnéticos ha sido también importante en la revolución de la computadora.

Pueden fabricarse los recuerdos de la computadora usando los dominios de la burbuja.

Estos dominios son regiones realmente más pequeñas de magnetización que o es

paralelo o antiparalelo a la magnetización global del material. Dependiendo de esta

dirección, la burbuja indica uno o un ceros, mientras sirviendo así como las unidades del

sistema del número binario usaron en las computadoras. Los materiales magnéticos

también son electores importantes de cintas y discos en que se guardan los datos.

Además del atómico - clasificó según tamaño unidades magnéticas usadas en las

computadoras-, los imanes grandes, poderosos son cruciales a una variedad de

tecnologías modernas.

La levitación magnética entrena que usa los imanes fuertes para permitir al tren

flotar sobre la huella para que no haya fricción entre el vehículo y las huellas y reducir

la velocidad el tren. Se usan los campos magnético poderosos en el imaging de

resonancia magnético nuclear, una herramienta de diagnóstico importante usada por

doctores. Los imanes de Superconducción se usan en más aceleradores de la partícula

poderosos para guardar las partículas aceleradas enfocadas y entrando un camino

encorvado. (Valbuena, 2003).

7-4 Susceptibilidad Magnética

La susceptibilidad magnética es el grado de magnetización de un material, en

respuesta a un campo magnético. La susceptibilidad magnética volúmica se representa

por el símbolo χ, y no tiene dimensiones.

Donde M es la magnetización del material (la intensidad del momento magnético por

unidad de volumen) y H es la intensidad del campo magnético externo aplicado.

Si χ es positivo, el material se llama paramagnético (o ferro magnético), y el

campo magnético se fortalece por la presencia del material. Si χ es negativa, el material

es diamagnético, y el campo magnético se debilita en presencia del material.

La susceptibilidad magnética y la permeabilidad magnética (μ) están

relacionadas por la siguiente fórmula:

μ = μ0 (1 + χ)

Donde μ0 es la permeabilidad magnética del vacío. (Enciclopedia Wikipedia, 2009)

Figura. 7-1 Variación de la Susceptibilidad Magnética con la Temperatura en

Sustancias (a) Ferromagnéticas,(b) Paramagnéticas, (c) Antiferromagnéticas, (d)

Diamagnéticas.

CAPÍTULO VIII

PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS MATERIALES

Es evidente que los materiales, y dependiendo básicamente de su estructura y

composición, absorben y reflejan diferentes partes del espectro visible dando lugar a los

diferentes colores observados en la naturaleza. Este hecho se extiende más allá del

visible abarcando todo el espectro electromagnético. En este capítulo de propiedades

ópticas nos centraremos en la interacción entre la materia y campos electromagnéticos.

Además se recordaran algunos conceptos asociados con ciertos fenómenos de

absorción, emisión, refracción, entre otros en materiales.

8-1. Propiedades Ópticas

Se denominan propiedades ópticas aquellas propiedades que regulan la emisión,

absorción, transmisión, reflexión y refracción de la luz. Este campo abarca no sólo las

propiedades bien conocidas, tal corno la emisión de un filamento de tungsteno, las fuentes

de color, transparencia, opacidad e índice de refracción, sino también las nuevas áreas

con crecimiento explosivo, como la iluminación fluorescente, el fósforo para los tubos

de televisión y las emisiones de láser. (Van Vlack, 1984)

8-2 Fenómenos Ópticos.

Al interactuar con la estructura electrónica o  cristalina de un material, los

fotones de una fuente externa crean varios fenómenos ópticos. Si los fotones incidentes

interactúan con los electrones de valencia pueden ocurrir varias cosas: los fotones ceden

energía al material, en cuyo caso hay absorción; o puede ser que cuando los fotones

aportan energía, de inmediato el material emite electrones de idéntica energía, de forma

que se produce reflexión. También puede que los fotones no interactúen con la

estructura electrónica del material, en ese caso ocurre la transmisión. En cualquiera de

estos tres casos, la velocidad de los fotones cambia; este cambio propicia la refracción.

Un rayo incidente de intensidad I0 parcialmente puede reflejarse, absorberse y

transmitirse. Esta intensidad I0 se puede expresar como:

I0 = Ir + Ia + It

Donde Ir es la porción reflejada, Ia es la parte absorbida e It es la porción

transmitida a través del material. Determinar el comportamiento de los fotones respecto

al material es necesario conocer varios factores internos de este, particularmente la

energía requerida para excitar un electrón hacia un estado de energía más elevado.

Ahora examinaremos cada uno de estos cuatro fenómenos:

8-2.1 Refracción

Cuando un fotón es transmitido provoca la polarización de electrones en el

material y, al interactuar con el material polarizado, pierde parte de su energía. La

velocidad de la luz se puede relacionar con la facilidad con la cual un material se

polariza tanto eléctricamente (permisividad) como magnéticamente (permeabilidad).

Sin embargo, los materiales ópticos no son magnéticos, por tanto la

permeabilidad puede no tomarse en  cuenta.

Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra al material

cambia de dirección. Suponiendo que un haz de fotones viaja en el vacío e incide sobre

un material, a y b son los ángulos que los haces incidentes y refractados tienen con el

plano de la superficie del material, entonces:

n = c = l vacío= sen a

v l sen b

La relación n es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v

la velocidad de la luz dentro del material. Si los fotones viajan en el material 1 y de ahí

pasan al material 2, las velocidades de los haces incidentes y refractados dependen de la

relación entre sus índices de refracción.

v1 = n1 = sen a

v2 n2 sen b

Con la última expresión de esta igualdad podemos determinar si el haz será

transmitido como un haz refractado o si se reflejará. Si el ángulo b es igual a 90°, el haz

que viajaba a través del material se refleja.

Cuando el material ser polariza fácilmente habrá más interacción de fotones con 

la estructura electrónica del mismo. Entonces, es de esperarse una relación entre el

índice de refracción y la constante dieléctrica del material. (Flores, 2004)

8-2.2 Reflexión

Cuando un haz de fotones golpea un material, éstos interactúan con los

electrones de valencia y ceden su energía. Cuando las bandas de valencia no están

totalmente ocupadas, cualquier radiación, de casi cualquier longitud de onda, excita a

los electrones hacia niveles superiores de energía. Podría esperarse que, si los fotones

son totalmente absorbidos, no se reflejaría luz y el material aparecería de color negro.

Sin embargo, cuando fotones de longitud casi idéntica vuelven a ser emitidos,  mientras

que los electrones excitados regresan a sus niveles inferiores de energía, ocurre la

reflexión. Dado que la totalidad del espectro visible se refleja, los materiales con esta

propiedad tienen un color blanco o plateado (en los metales).La reflectividad R da la

fracción del haz incidente que se refleja y está relacionada con el índice de refracción.

Si el material esta en el vacío o en el aire:

R= n-1

n+1

Si el material está en algún otro medio, con un índice de refracción ni entonces:

R= n- ni 

n+ni

Los materiales con alto índice de refracción tienen mayor reflectividad que

aquellos cuyo índice es bajo. La reflectividad y el índice de refracción varían con la

longitud de onda de los fotones. (Flores, 2004)

8-2.3 Absorción.

La porción de haz incidente que no es reflejada por el material es absorbida o

transmitida a través del mismo. La fracción de luz absorbida está relacionada con el

espesor del material y la forma en la cual los fotones interactúan con su estructura. La

intensidad del haz, después de pasar a través del material, está dada por:

I = I0 exp (-m x)

donde x es la trayectoria a través de la cual se mueven los fotones (por lo general, el

espesor del material), m es el coeficiente lineal de absorción del material para los

fotones, I0 es la intensidad del haz, después de reflejarse en la superficie delantera,  e I

es la intensidad del haz cuando llega a la superficie trasera.

La absorción ocurre debido a varios mecanismos. En la dispersión de Raleigh, el

fotón interactúa con electrones en órbita y sufre una deflexión sin cambios de energía;

este resultado es más significativo para átomos con alto número atómico y para fotones

de baja energía. La dispersión Compton es causada por la interacción entre electrones en

órbita y fotones; así, el electrón es expulsado del átomo y, por tanto, consume parte de

la energía del fotón. De nuevo, átomos con números atómicos más altos y energías de

fotón menores causan mayor dispersión. El efecto fotoeléctrico se presentará cuando a

la energía del fotón se consuma al romperse la unión entre el electrón y su núcleo.  

Conforme la energía del fotón aumenta (reduciendo la longitud de onda), ocurrirá

menos absorción, hasta que el fotón tenga una energía igual a la de la unión. A este

nivel de energía, el coeficiente de absorción  se incrementa de manera significativa. La

energía o longitud de onda a la que esto ocurre se conoce como margen de absorción.

Cuando los fotones no interactúan con imperfecciones de la materia, se dice que éste es

transparente. Éste es el caso del vidrio, cerámicos cristalinos de alta pureza y de

polímeros amorfos como acrílicos, policarbonatos y polisulfones. (Flores, 2004)

8-2.4 Transmisión.

La fracción del haz que no ha sido reflejada ni absorbida se transmite a través

del material. Podemos determinar la fracción del haz que se ha transmitido por medio de

la siguiente ecuación.

It= I0 (1- R)2 exp (-m x)

De nuevo observamos que la intensidad del haz transmitido dependerá de la

longitud de onda de los fotones dentro del haz. Si sobre un material incide un haz de luz

blanca y se absorben, se reflejan y se transmiten fracciones equivalentes de fotones con

longitudes de onda diferentes, el haz transmitido también será de luz blanca. Pero, si los

fotones de longitud de onda más larga son absorbidos en mayor proporción que los de

longitud de onda más corta, la luz transmitida aparecerá del color de la longitud de onda

corta cuya absorción haya sido menor. La transparencia no es otra cosa que la

transmisión íntegra de los haces de luz que inciden sobre el material y la intensidad del

haz también depende de características micro estructurales. (Flores, 2004)

Cuando cualquiera de estos tres fenómenos ópticos se da de forma que solo fotones con

un intervalo específico de longitud de onda son absorbidos, reflejados o transmitidos, se

producen propiedades ópticas poco comunes, que se traducen en cambios de color

(policromía), colores característicos (como el rojo del láser de rubí dopado), etc.

(Flores, 2004)

8-3 Fenómenos De Emisión.

Un material puede emitir fotones cuya energía E está dada por la siguiente

ecuación:

E = hv = hc

l

c es la velocidad de la luz (3x1010 cm/s)  y h es la constante de Planck (6.62x10-14 J ×

s). Esta ecuación permita considerar al fotón como una partícula de energía E o como

una onda, con longitud de onda frecuencia características. Dependiendo del origen de

los fotones, se pueden producir radiaciones en una gran gama de longitudes de onda.

(Flores, 2004)

A continuación se presentan algunos ejemplos específicos de este tipo de

fenómenos:

8-3.1 Rayos gamma

Interacciones nucleares. Los rayos gamma son fotones de energía muy elevada,

emitidos durante la descomposición radiactiva de núcleos inestables de ciertos átomos.

Así la energía de los rayos gamma depende de la estructura del núcleo que los origina.

(Flores, 2004)

8-3.2 Rayos X –

Interacciones en las capas internas de los electrones. Los rayos X cuya energía es

ligeramente menores que la de los rayos gamma, son producidos al estimular los

electrones de las capas internas del átomo. Este estímulo puede consistir en  electrones

de alta energía u otro rayo X. Así se emiten rayos X de espectro continuo y espectro

característico. Cuando un electrón de alta energía golpea un material, al desacelerarse

cede energía, que es emitida en forma de fotones. Cada vez que el electrón golpea un

átomo, cede una parte adicional de su energía; cada una de estas interacciones puede ser

más o menos severa, por lo que en cada ocasión el electrón cede una fracción distinta de

su energía, produciendo fotones de longitudes de onda diferentes, produciendo un

espectro continúo. Si el electrón perdiera toda su energía en un solo impacto, la longitud

de onda mínima de los fotones emitidos sería el equivalente a la energía original del

estímulo; esta longitud de onda mínima se conoce como límite de longitud de onda

corta. Este límite se reduce al aumentar la energía del estímulo, lo que incrementa el

número y la energía de los fotones emitidos. El estímulo también puede tener energía

suficiente para excitar un electrón de un nivel inferior de energía y pasarlo a un nivel

superior. El electrón excitado no es estable y, a fin de restaurar el equilibrio, el nivel

inferior no ocupado se llena con electrones provenientes de un nivel superior. Este es el

proceso que emite un espectro característico de rayos x, que es diferente para cada tipo

de átomo. (Flores, 2004)

8-3.3 Luminiscencia

Interacciones de las capas exteriores de electrones. La luminiscencia es la

conversión de radiaciones y otras formas de energía en luz visible. Ocurre cuando una

radiación incidente excita electrones de la banda de valencia, para pasar a través de la

brecha de energía y haciéndolos llegar finalmente a la banda de conducción. Estos

electrones excitados se quedan brevemente en niveles superiores de energía, y cuando

regresan a la banda de valencia emiten fotones.  Si la longitud de onda de estos fotones

está dentro de la parte del espectro que es visible al ojo humano, aparecerá la

luminiscencia. (Flores, 2004)

8-3.4 Diodos emisores de luz

Electroluminiscencia. Los diodos emisores de luz (LED) se basan en la

aplicación de un voltaje externo, que causa transiciones electrónicas y

electroluminiscencia. Estos dispositivos de unión p-n están diseñados de forma que Eg

esté dentro de nuestro espectro de luz visible. Un voltaje aplicado al diodo en dirección

de polarización directa hace que en la unión se recombinen huecos y electrones, lo que

obliga a estos a emitir fotones. (Flores, 2004)

8-3.5 Láser

Amplificación de la luminiscencia. El láser (siglas en inglés de light

amplification by stimulated emisión of radiation, o amplificación de la luz mediante

emisión estimulada de radiación), es una aplicación especial de la luminiscencia. Al

calentarse un material, los electrones saltan de la banda de valencia hacia la banda de

conducción, dejando atrás  "huecos" en la banda de valencia. Cuando un electrón vuelve

a la banda de valencia recombinándose con un hueco, se produce un fotón, con energía

y longitud de onda equivalentes a la brecha de energía. Este fotón estimula otro

electrón, para que baje de la banda de conducción hacia la banda de valencia, creando

un segundo fotón con longitud de onda y frecuencia idénticas y en fase con el primer

fotón. Así, los fotones emitidos en el material se amplifican. Seleccionando

cuidadosamente el estimulante y el material, podemos hacer que  la longitud de onda de

los fotones caiga dentro de nuestro espectro de luz visible. La salida del láser es un haz

de fotones paralelos y coherentes, de una misma longitud de onda. En un haz coherente,

la naturaleza ondulatoria de los fotones está en fase, por lo que no ocurren interferencias

destructivas. Los rayos láser son útiles en tratamiento térmico y fusión de metales, en

soldadura, cirugía, cartografía, en la transmisión y procesamiento de información y otras

aplicaciones. (Flores, 2004)

8-3.6 Emisión térmica

Al calentarse un material, los electrones se excitan térmicamente hasta llegar a

niveles energéticos superiores, particularmente en los niveles superiores de energía,

donde los electrones están débilmente unidos al núcleo. De inmediato estos regresan a

sus niveles normales, liberando fotones. Conforme se incrementa la temperatura, la

agitación térmica aumenta y también la máxima energía de los fotones emitidos. Se

emite un espectro continuo de radiación, con una longitud de onda mínima y una

distribución de intensidad dependientes de la temperatura. Algunos de  los fotones

pueden tener longitudes de onda dentro de nuestro espectro visible, por lo que el color

del material cambiará con la temperatura. A temperaturas bajas, la longitud de onda de

la radiación es demasiado larga para ser vista. Conforme la temperatura asciende, los

fotones emitidos son de longitudes más cortas. A los 700 ° C comienza a verse un tinte

rojizo y de esta temperatura en adelante, se producen todas las longitudes de onda

visibles, hasta que es espectro emitido es una luz blanca. Midiendo con un pirómetro la

intensidad de una banda estrecha de las longitudes de onda emitidas, se puede estimar la

temperatura del material. (Flores, 2004)

CAPÍTULO IX

PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

La temperatura es un factor externo de enorme importancia, ya que afecta

prácticamente a todas las características de los materiales. Las propiedades mecánicas,

eléctricas o magnéticas sufren importantes cambios cuando la temperatura varía. Por lo

tanto deben tenerse en cuenta los efectos térmicos a la hora de dimensionar o

seleccionar el material idóneo ya que algunas aplicaciones industriales requieren la

utilización de materiales con propiedades térmicas específicas.

Cuando un sólido recibe energía en forma de calor, el material absorbe calor, lo

transmite y se expande. Estos tres fenómenos dependen respectivamente de tres

propiedades características del material: la capacidad calorífica, su conductividad

térmica y de su coeficiente de dilatación. En este capítulo se analizaran estos fenómenos

de importancia.

9-1 Capacidad calorífica

Para cumplir nuestro objetivo es suficiente discutir Cp, que es la capacidad calorí-

fica a presión constante. Es más sencillo comenzar con la capacidad calorífica a 20°C,

por ejemplo. Encontramos que los sólidos más sencillos muestran un valor de

aproximadamente 6 cal/mol-K (25.1 J/mol-K). Boltzmann demostró que esto se podía

racionalizar al considerar la energía de los átomos vibrantes. De la química elemental

recordemos que la energía interna de un mol de gas perfecto es donde R es la constante

de los gases con un valor de 1.987 cal/mol-K (8.3 J/mol-K) y T es la temperatura absoluta

(K). Para los átomos vibrantes enlazados en un sólido hay un término de energía

potencial añadida, del mismo valor 4-RT, dando una energía total de 3RT o sea

aproximadamente 6T. Puesto que la energía es igual a CpT (desde O hasta T K),

entonces 6', = 6 cal/mol-K (25.1 J/mol-K).

Esta simple relación no se aplica a bajas temperaturas debido a efectos que se

estudian en la mecánica cuántica o a los sólidos complejos en los cuales está

involucrada la energía de rotación de las moléculas. La contribución de los electrones a la

capacidad calorífica es también baja excepto a bajas temperaturas.

Debiéramos anotar de paso que aunque la capacidad calorífica por mol es

constante para muchas sustancias sencillas, es importante darse cuenta en los cálculos de

ingeniería que hay una gran diferencia en el calor específico por gramo. Por ejemplo, el

valor para el hierro es de 0.107 cal/g (0.448 J/g) mientras que para el plomo es de 0.031

cal /g (0.1296 J/g).

Los portadores de energía térmica son electrones en los metales y fotones (cuantos

de energía) en otros sólidos. La velocidad de un fotón es la velocidad del sonido, pero

como se producen muchas colisiones entre los fotones, la conductividad térmica neta en

los no metales es baja comparada con la de los metales.

Como los electrones sirven como portadores en los metales, podríamos decir que

una buena conductividad eléctrica podría ser una indicación de buena conductividad

térmica. Ello se muestra con la relación Wiedemann-Frana: Conductividad térmica

(Prácticamente es una constante) Conductividad eléctrica x T

A medida que se añaden aleantes al metal, la conductividad térmica, como la

conductividad eléctrica, decaen rápidamente, a menudo hasta un valor de únicamente un

décimo del metal puro. Un ejemplo de ello está en la fabricación de utensilios de cocina

de acero inoxidable. Para obtener mejor conductividad se emplea un emparedado de

acero inoxidable con un centro de hierro de bajo contenido de carbono, de manera que la

influencia del hierro prácticamente puro nivelará los gradientes de temperatura. Una

alternativa es el empleo de una base de cobre unida al acero inoxidable. (Van Vlack,

1984)

9-2 Expansión Térmica

Si empleamos un modelo clásico de átomo o vibraciones de ion que van de aquí

para allá con respecto a centros fijos mientras se calienta una muestra, no podemos explicar

la expansión. Sin embargo, repasemos las fuerzas de atracción y repulsión entre los iones,

los cuales determinan la distancia interiónica.

A medida que acercamos dos iones, vemos que las fuerzas de atracción dominan

hasta que llegamos al fondo del canal a un radio ro. Para unir los átomos aún más se

requiere energía adicional. Ahora los átomos tendrán un espaciamiento radial ro

únicamente a O K. A mayores temperaturas los átomos vibrarán con amplitud creciente,

como en T1 y T2. Obsérvese que la distancia promedio de separación será r1 y r2, que no

caen encima de ro debido a los efectos diversos de temperatura sobre las fuerzas de

atracción y repulsión. La cantidad ár/ áT es el coeficiente de expansión térmica, el cual

es característicamente diferente para diversas estructuras.

Los materiales cerámicos tienen coeficientes de expansión bajos debido a que las

fuerzas de atracción son casi tan grandes como las fuerzas de repulsión a medida que la

temperatura aumenta. Los valores van desde 1.2 x 10-6 (K)-1 para el diamante hasta 6.7

x 10-" (K)-4 para la alúmina .Se encuentra una gran variación en los vidrios. En la sílice

fundida pura el coeficiente de expansión es bajo, 0.05 X 106(K)-1, mientras que en el

vidrio para ventanas el enlace es más débil y el coeficiente es 7.2 X 10-6 (K)-'. En forma

correspondiente, los puntos de fusión y ablandamiento de la sílice fundida son mayores

que los del vidrio para ventana.

En los metales hay una correlación más estrecha entre el punto de fusión, que es

un índice del grado del enlace, y el coeficiente de expansión. El aluminio, por ejemplo

tiene un coeficiente de 24.1 x 10-6 (K)-1, mientras que el del tungsteno es 3.95 x 10-"

(K)-'. De especial interés es la diferencia que hay entre el hierro a con un coeficiente de

aproximadamente 14 x 10-" (K) ' y el hierro y con 18 X 10-" (K)-'. Tal como se ilustra

en los problemas, el acero inoxidable austenítico muestra el mismo nivel de expansión

que el hierro -y, mientras que otros aceros se parecen al hierro a. Esta diferencia puede

ocasionar esfuerzos críticos cuando se calientan estructuras que contienen diversos tipos

de acero.

Una tira bimetálica es un ejemplo de cómo se puede emplear la expansión

térmica diferencial en termostatos para el control de la temperatura. Si unimos dos

metales y los laminamos en caliente, formamos una tira bimetálica. Si se toma una tira

bimetálica del extremo y se calienta, se doblará si los metales tienen diversos

coeficientes de expansión y la cantidad dependerá de la temperatura y de los metales

de los que está constituida. (Van Vlack, 1984)

9-3 La Conductividad Térmica

Es una propiedad de los materiales que valora la capacidad de transmitir el calor

a través de ellos. Es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, y es baja en

los polímeros, siendo muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio,

que se denominan por eso aislantes térmicos. Para que exista conducción térmica hace

falta una sustancia, de ahí que es nula en el vacío ideal, y muy baja en ambientes donde

se ha practicado un vacío bajo.

En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conducción de

calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado

área de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar

el efecto de la conducción, para lo que se emplean materiales de baja conductividad

térmica, vacíos intermedios (ver termo), y se disponen en configuraciones con poca área

de contacto...

La tabla que se muestra a continuación se refiere a la capacidad de ciertos

materiales para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica(λ)

caracteriza la cantidad de calor necesario por m2, para que atravesando durante la

unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de

temperatura entre las dos caras. Es una propiedad intrínseca de cada material que varía

en función de la temperatura a la que se efectúa la medida, por lo que suelen hacerse las

mediciones a 300 Kcon el objeto de poder comparar unos elementos con otros. Es un

mecanismo molecular de transferencia de calor que ocurre por la excitación de las

moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia pero predomina en los sólidos.

Cuadro 9.1 Conductividades térmicas de diversos materiales en W/ (K·m)

Material λ Material λ Material λ

Acero 47-58 Corcho 0,03-0,04 Mercurio 83,7

Agua 0,58 Estaño 64,0 Mica 0,35

Aire 0,02 Fibra de vidrio 0,03-0,07 Níquel 52,3

Alcohol 0,16 Glicerina 0,29 Oro 308,2

Alpaca 29,1 Hierro 80,2 Parafina 0,21

Aluminio 209,3 Ladrillo 0,80 Plata 406,1-418,7

Amianto 0,04 Ladrillo refractario 0,47-1,05 Plomo 35,0

Bronce 116-186 Latón 81-116 Vidrio 0,6-1,0

Zinc 106-140 Litio 301,2 Cobre 372,1-385,2

Madera 0,13 Tierra húmeda 0,8 Diamante 2300

9-4 Transmitancia térmica

Es la cantidad de energía que atraviesa, en la unidad de tiempo, una unidad de

superficie de un elemento constructivo de caras plano paralelas cuando entre dichas

caras hay un gradiente térmico unidad. Es el inverso a la resistencia térmica. Su

expresión matemática es;

En donde:

U = transmitancia en vatios por metro cuadrado y kelvin.

W = potencia en vatios.

S = superficie en metros cuadrados.

K = diferencia de temperaturas en kelvin.

El concepto de transmitancia térmica se usa en construcción para el cálculo de

los aislamientos y pérdidas energéticas. De este mismo concepto se parte para los

cálculos de los diseños de calefacción, en cualquiera de sus modalidades, al estar, en

esencia, basada la calefacción en determinar la cantidad de energía que hay que

suministrar a los espacios habitados en la unidad de tiempo (potencia) para mantener

una determinada temperatura (la de comodidad) en una determinada diferencia con la

temperatura exterior. Esta potencia debe compensar las pérdidas de calor por los

elementos constructivos que separan los espacios calefactados del exterior o de

cualquier otro ambiente a menor temperatura, es decir, depende de la transmitancia de

los elementos que definen la estancia a calefactar. (Enciclopedia Wikipedia, 2010).

CAPÍTULO X

PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS MATERIALES

El tema que se presenta en este capítulo tiene gran interés ya que se ha

comprobado en numerosos países que los perjuicios ocasionados por la corrosión

representan el 1.5% y 3.5% del producto bruto nacional, sin recurrir a medios muy

agresivos si no considerando solamente la atmósfera. Se encuentra que la mayoría de los

metales en contacto con el medio ambiente forman un sistema termodinámicamente

inestable con la única excepción de unos pocos metales llamados nobles (oro, platino,

etc.). Todos los demás metales en contacto con el aire reaccionan rápidamente y se

transforman en óxidos. Por lo antes expuesto se conocerán algunos factores que limitan

de forma notable la vida de un material químicamente al experimentar procesos de

oxidación o corrosión.

10-1 Oxidación

Consiste en la cesión de electrones. Cuando un material se combina con el

oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta

una reacción de oxidación. De esta forma esquemática se puede representar el proceso

de oxidación de la siguiente manera:

Cuando un material se encuentra situado en una atmósfera oxidante, su

superficie se oxida más o menos rápidamente; el óxido que se transforma se deposita en

la parte exterior del material recubriéndolo por completo. Para que el proceso de

oxidación continúe en esa situación, el material o el oxígeno deben atravesar, por

difusión, la capa de óxido, que se comporta oponiéndose tanto al movimiento de los

átomos de oxígeno como a los del material. Existen capas de óxidos que presentan

mayor oposición a este movimiento que otras.

Cuanto mayor sea la temperatura a la que se encuentra sometido un material,

mayor será la velocidad a la que se produce su oxidación, pues un aumento de

temperatura activa el proceso de difusión de los átomos del material y del oxígeno en la

capa del óxido.

Para aumentar su resistencia a la oxidación, el acero dulce se alea con otro

material que tenga una energía de oxidación mayor y una velocidad de oxidación menor

que la suya.

En ese caso, el material añadido se oxida primero debido a su mayor energía de

oxidación; pero al formarse una capa de óxido el proceso de oxidación se frena,

transcurriendo a partir de entonces a una velocidad muy lenta.

10-1.1.Tipos de oxidación

Oxidación lenta

La que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua o aire, causando su

corrosión y pérdida de brillo y otras propiedades características de los metales,

desprendiendo cantidades de calor inapreciables; al fundir un metal se acelera la

oxidación, pero el calor proviene principalmente de la fuente que derritió el metal y no

del proceso químico (una excepción sería el aluminio en la soldadura autógena).

Oxidación rápida

La que ocurre durante lo que ya sería la combustión, desprendiendo cantidades

apreciables de calor, en forma de fuego, y ocurre principalmente en substancias que

contienen carbono e hidrógeno, (Hidrocarburos)

Combinaciones

Cuando el oxígeno se combina con un metal, puede formar o bien óxidos básicos

o peróxidos, estos óxidos se caracterizan por ser de tipo básicos.

Si se combina el oxígeno con un no metal forma óxidos ácidos también llamados

anhídridos y caracterizados por ser de tipo ácido (actúan como ácido).(El nervión,

S/A).

10-2 Corrosión

Cuando la oxidación de un material concreto se produce en un ambiente húmedo

o en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión. Ésta es mucho más

peligrosa para la vida de los materiales que la oxidación simple, pues en un medio

húmedo la capa de óxido no se deposita sobre el material, sino que se disuelve y acaba

por desprenderse.

La corrosión no se verifica de una manera uniforme, sino que existen

determinados puntos del material donde el ataque es mayor. Esto da lugar a la

formación de importantes fisuras, que pueden llegar a producir una rotura por fatiga o

una fractura frágil. (El rincón del vago, 1998)

Figura.10.1 Corrosión de Materiales.

10-2.1 Tipos de corrosión

Se pueden distinguir entre dos tipos básicos de corrosión: la corrosión

generalizada o corrosión uniforme y la corrosión localizada.

La corrosión generalizada afecta más o menos por igual a todos los puntos de la

pieza. La corrosión general solo se observa en puntos concretos. En general, la

localizada supone perdidas pequeñas de material, pero sus consecuencias son peores.

La corrosión general permite un mayor seguimiento y previsión, ya que la

corrosión localizada es menos previsible y su evolución es mucho menos regular.

10-2.1.1Electroquímica

Aunque el aire atmosférico es el medio más común, las soluciones acuosas son

los ambientes que con mayor frecuencia se asocian a los problemas de corrosión. En el

término solución acuosa se incluyen aguas naturales, suelos, humedad atmosférica,

lluvia y soluciones creadas por el hombre. Debido a la conductividad iónica de estos

medios, el ataque corrosivo es generalmente electroquímico.

La definición más aceptada en la bibliografía alemana, elaborada por Lange,

entiende por corrosión electroquímica "el paso de electrones e iones de una fase a otra

limítrofe constituyendo un fenómeno electrónico, es decir, transformaciones materiales

con la cooperación fundamental, activa o pasiva, de un campo eléctrico macroscópico,

entendiéndose por macroscópico aquel campo eléctrico que tiene dimensiones

superiores a las atómicas en dos direcciones del espacio".

Conforme a la teoría de Lange, en los procesos de corrosión electroquímica de

los metales se tiene simultáneamente un paso de electrones libres entre los espacios

anódicos y catódicos vecinos, separados entre sí, según el esquema siguiente:

Fenómeno anódico: Ed1 « Ec1 + n.e-

Fenómeno catódico: Ec2 + n.e- « Ed2

Lo que entraña una corriente electrónica a través de la superficie límite de las

fases. En el proceso anódico, el dador de electrones, Ed1, los cede a un potencial

galvánico más negativo, y dichos electrones son captados en el proceso catódico por un

aceptor de electrones, Ec2, con potencial más positivo. (Fisicanet,2008).

10-2.1.1.1 Ensayos electroquímicos

Se realiza mediante un ensayo de polarización potenciodinámica y de resistencia

a la polarización (Rp). El electrolito es una solución de cloruro de sodio (NaCl) al 3 %.

En la Figura 10-1 se puede observar la celda y el equipo, así como los parámetros de

entrada y salida para la obtención de las curvas potenciodinámicas y las curvas de

resistencia a la polarización.

Figura 10-1. Esquema del equipo para los ensayos de corrosión electroquímica y

los parámetros de entrada y salida (Fernández, Gil, 2006)

10-2.1.2.Uniforme

La corrosión uniforme puede ser descrita como una reacción de corrosión que

ocurre por igual en toda la superficie del material, causando una pérdida general del

metal. (Fisicanet,2008).

10-2.1.3. Galvánica

La corrosión acelerada que puede ocurrir cuando metales distintos (con distinto

par redox) se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por ejemplo, una

solución conductiva).

El ataque galvánico puede ser uniforme o localizado en la unión entre

aleaciones, dependiendo de las condiciones. La corrosión galvánica puede ser

particularmente severa cuando las películas protectoras de corrosión no se forman o son

eliminadas por erosión. (Fisicanet,2008).

10-2.1.4. Por picadura (Pitting)

La corrosión por picadura es un tipo de corrosión altamente localizada que

frecuentemente se observa en superficies con poca o ninguna corrosión general.

Las picaduras ocurren como un proceso de disolución local anódica donde la

pérdida de metal es aumentada por la presencia de un ánodo pequeño y un cátodo

grande. Las picaduras suelen ser de pequeño diámetro (décimas de milímetro).

(Fisicanet,2008).

10-2.1.5. Por fisuras

Alrededor del hueco formado por contacto con otra pieza de metal igual o

diferente a la primera o con un elemento no metálico.

El proceso de pitting y el crevice tienen en común que el agresivo químico está

semiestancado, situación de ánodo localizado. (Fisicanet,2008).

10-2.1.6. Erosión

La corrosión por erosión está causada o acelerada por el movimiento relativo de

la superficie de metal y el medio. Se caracteriza por rascaduras en la superficie paralelas

al movimiento.

La erosión suele prevalecer en aleaciones blandas (por ejemplo, aleaciones de

cobre, aluminio y plomo).

Las aleaciones que forman una capa pasivante muestran una velocidad limite por

encima de la cual la erosión aumenta rápidamente. Otros factores como turbulencia,

cavitación, o efectos galvánicos pueden aumentar la severidad del ataque.

(Fisicanet,2008).

10-2.1.7. Intergranular

La corrosión intergranular se refiere a la corrosión selectiva de los límites de

grano en metales y aleaciones.

Los límites de grano son zonas de alta energía debido a la gran proporción de

dislocaciones en la estructura natural del material.

Este ataque es muy común en algunos aceros inoxidables y aleaciones de níquel.

(Fisicanet,2008).

10-2.1.8. Exfoliación

Corrosión en los límites de grano paralelos a la superficie del metal donde los

productos de corrosión separan el metal. También llamada corrosión laminar.

(Fisicanet,2008).

10-.2.1.9. Corrosión bajo tensión

Ataque de un material por la acción conjunta de dos causas: química (agresivo

químico) y física (tensión mecánica). Por separado, ninguna ataca al material.

La progresión de la corrosión bajo tensión es de tipo arbóreo. Sigue los límites

de los cristales (corrosión por límite de grano o corrosión intergranular).

(Fisicanet,2008).

10-2.1.10. Por fatiga

Producida por la unión de una tensión cíclica y de un agente corrosivo. El ataque

es transgranular (rotura recta). (Fisicanet,2008).

10-2.1.11. Corrosión por rozamiento

El ataque ocurre cuando dos piezas de metal se deslizan un encima del otro y

causan daños mecánicos a uno o a los dos elementos.

En algunos casos, el calor de fricción oxida el metal y su óxido se elimina. En otros

casos, la eliminación mecánica de la capa pasivante expone la superficie limpia del

metal a los ataques corrosivos. (Fisicanet,2008).

10-2.1.12.Ataque por hidrógeno

A temperaturas elevadas y presión parcial de hidrógeno alta, hidrogeno penetra

el acero al carbono, reaccionando con el carbón del acero para formar metano. La

presión generada causa una pérdida de ductilidad (fragilización por hidrógeno,

"hydrogen embrittlement") y fallos por rotura o formación de burbujas en el acero. La

eliminación de carbono del acero (descarburización) provoca el descenso de la

resistencia del acero. (Fisicanet,2008).

10-2.1.13. Pérdida selectiva

Es el proceso donde un elemento específico es eliminado de una aleación debido

a una interacción electroquímica con el medio. La deszincación de aleaciones de latón

es el ejemplo más común de este tipo de corrosión. Suele ocurrir cuando el metal es

expuesto a aguas blandas y puede ser acelerada por concentraciones altas de dióxido de

carbono y la presencia de iones cloruro. (Fisicanet,2008).

10-2.2. Algunos factores que influyen en la corrosión.

pH de la solución : se estudia el la velocidad de corrosión dependiendo del pH de

la solución y del material que del cual esté fabricado el componente.

Agentes oxidantes : la mayor parte de la corrosión observada en la práctica se da

en condiciones en que la oxidación del hidrógeno para dar agua es una parte necesaria

del proceso de corrosión. Por esta razón los agentes oxidantes son con frecuencia

potentes aceleradores del proceso de corrosión. Aunque pueden acelerar la corrosión de

unos materiales, pueden en cambio retardar la que se produzca en otros mediante

formación de óxidos en superficie o absorción de capas de oxígeno que las hacen

resistentes a los ataques químicos.

Temperatura : la velocidad de corrosión tiende a aumentar si aumente la tª.

(Fisicanet,2008).

Cuadro 10-1. Principales Factores que influyen en la Corrosión de los Metales.

1. Concentración

2. Impurezas.

3. Contaminaste.

4. pH de la solución.

5. Agentes oxidantes.

6. Inhibidores.

7. Temperaturas.

8. Velocidad

9. Películas.

10. Reacción con el ambiente.

11. Corrosión atmosférica.

12. Acoplamiento galvánico.

13. Efectos mecánicos.

14. Efectos biológicos.

15. Corrientes eléctricas parásitas.

16. Historia metalúrgica.

17. Catalizadores.

18. Arranques y paradas de plantas.

(Coronel, 2002).

10-2.3.Métodos de control

Existen cinco métodos primarios de control de la corrosión:

1. Selección de materiales. Cada metal y aleación tiene un comportamiento

único e inherente ante la corrosión que se ve reflejado en la posición que toma en la

serie electroquímica de metales o en una serie galvánica. Puede estar en el intervalo de

alta resistencia de metales nobles o pasivos por ejemplo, oro y platino o en el de baja

resistencia de metales activos, como el sodio y el magnesio.

Además, la resistencia a la corrosión de un metal depende del ambiente al cual

se encuentra expuesto. Tomando en consideración estos puntos, se puede llevar a cabo

una buena selección de materiales para un uso específico.

2. Recubrimientos. Los recubrimientos para la protección contra la corrosión se

pueden dividir en dos grandes grupos: los metálicos y los no metálicos (orgánicos e

inorgánicos). Con cualquier tipo de recubrimiento que se seleccione el objetivo es el

mismo: aislar la superficie metálica del medio corrosivo. El concepto de aplicación de

un recubrimiento con un metal más noble sobre un metal activo se basa en la ventaja de

una mayor resistencia a la corrosión del metal noble. Un ejemplo de esta aplicación es el

acero recubierto con estaño. Alternativamente, un metal más activo se puede aplicar, y

en este caso el recubrimiento se corroe, o sacrifica, en vez del sustrato. Un ejemplo de

este sistema es el acero galvanizado, en el que el recubrimiento de zinc se corroe

preferentemente y protege al acero.

Los recubrimientos no metálicos pueden ser orgánicos e inorgánicos. La función

primaria de un recubrimiento orgánico en la protección contra la corrosión es aislar el

metal del ambiente corrosivo.

Adicionalmente, forma una barrera para extinguir la corrosión; el recubrimiento

orgánico puede contener inhibidores de corrosión.

Existen muchas formulaciones de recubrimientos orgánicos, así como también

una amplia variedad de procesos de aplicación para seleccionar de un producto dado o

una condición de servicio.

Los recubrimientos no metálicos inorgánicos incluyen porcelanas, tintas de

cemento y silicatos, recubrimientos vítreos y otros cerámicos resistentes a la corrosión.

Al igual que los recubrimientos orgánicos, los inorgánicos se utilizan para aplicaciones

en corrosión como recubrimientos de barrera.

3. Inhibidores. Así como algunas especies químicas (las sales, por ejemplo)

causan corrosión, otras especies químicas la inhiben. Los cromatos, silicatos y aminas

orgánicas son inhibidores comunes. Los mecanismos de inhibición pueden ser un poco

complejos. En el caso de las aminas orgánicas, el inhibidor es adsorbido sobre los sitios

anódicos y catódicos y anula la corriente de corrosión. Otras promueven la formación de

una película protectora sobre la superficie del metal. Los inhibidores se pueden

incorporar en un recubrimiento protector. Cuando sucede un defecto en el

recubrimiento, el inhibidor se dirige desde el recubrimiento hacia el defecto y se

controla la corrosión. 4. Protección catódica. La protección catódica suprime la

corriente de corrosión que causa el daño en una celda de corrosión e impulsa la

corriente para dirigirla a la estructura metálica que se va proteger. De esta manera, se

previene la corrosión o disolución del metal. En la práctica, la protección catódica se

puede desarrollar por dos métodos de aplicación, la cual difiere en la fuente de

alimentación de la corriente protectora. Un sistema de corriente impresa utiliza una

fuente de poder para forzar la corriente de un á nodo inerte a la estructura metálica a ser

protegida.

Un sistema de ánodo de sacrificio utiliza á nodos de metal activo, como zinc o

magnesio, los cuales son conectados a la estructura para proporcionarles la corriente de

protección catódica.

5. Diseño. La aplicación de principios de diseño puede eliminar muchos

problemas de corrosión y reduce el tiempo y costo asociados con el mantenimiento y

reparación. La corrosión ocurre frecuentemente en espacios pequeños o resquicios en

los que el medio corrosivo empieza a ser más agresivo. Estas áreas se pueden eliminar o

minimizar en el proceso de diseño. Donde la corrosión bajo esfuerzo es posible, los

componentes se pueden diseñar para operar en niveles de esfuerzo menores a los que

podrían colapsarse.(Cruz y col, 2007).

10-2.4 La Corrosión en la industria y sus procesos.

La industria, es el sector más afectado por la corrosión, a cerca de los ataques

que este proceso causa. Podemos hablar desde fracturas, hasta fugas en tanques,

disminución de la resistencia mecánica de las piezas y muchas otras maneras de efectos

por los ataques. Aún así, lo peor de todo es que si no son prevenidas estas clases de

ataques por corrosión, la seguridad de las personas es algo que se ve permanentemente

afectado.

Existen dos clases de pérdidas desde el punto de vista económico.

DIRECTAS: las pérdidas directas son las que afectan de manera inmediata

cuando se produce el ataque. Estas se pueden clasificar en varios tipos también, de las

cuales las más importantes son el Coste de las Reparaciones, las Sustituciones de los

Equipos Deteriorados y Costes por Medidas Preventivas.

INDIRECTAS: se consideran todas las derivadas de los fallos debidos a los

ataques de corrosión. Las principales son la Detención de la Producción debida a las

Fallas y las Responsabilidades por Posibles Accidentes.

En general, los costes producidos por la corrosión oscilan cerca del 4% del P.I.B.

de los países industrializados. Muchos de estos gastos podrían evitarse con un mayor y

mejor uso de los conocimientos y técnicas que hoy en día están disponibles. (Textos

científicos, 2005).

CAPÍTULO XI

PROPIEDADES ELECTRÓNICAS DE LOS MATERIALES

En este capítulo se analizara cómo podemos controlar de manera casi definida, a

través del dopado, la cantidad de electrones o huecos que existen en un cristal.

11-1 Dopado de Materiales

En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional

de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido

como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas

utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. Semiconductores con dopajes

ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente

dopado que actúa más como un conductor que como un semiconductor es llamado

degenerado.

El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las

capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña. Cuando se agregan un

pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1 cada 100.000.000 átomos)

entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero. Cuando se agregan muchos más átomos

(en el orden de 1 cada 10.000) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este tipo

de dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material tipo N o P+ para

material tipo P.

11-2 Semiconductores de Grupo IV

Para los semiconductores de Grupo IV como Silicio, Germanio y Carburo de

silicio, los dopantes más comunes son elementos del Grupo III o del Grupo V. Boro,

Arsénico, Fósforo y ocasionalmente Galio son utilizados para dopar al Silicio.

11-3 Tipos de Materiales Dopantes

11-3.1 Tipo N

Se llama material tipo N al que posee átomos de impurezas que permiten la

aparición de electrones sin huecos asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se

llaman donantes ya que "donan" o entregan electrones y serán de valencia cinco como el

Arsénico y el Fósforo. De esta forma no se ha desbalanceado la neutralidad eléctrica, ya

que el átomo introducido al semiconductor es neutro; pero, a diferencia de los átomos

que conforman la estructura original, posee un electrón no ligado, por lo tanto la energía

necesaria para separarlo del átomo será menor que la necesitada para romper una

ligadura en el cristal de silicio (o del semiconductor original). Finalmente tendremos

más electrones que huecos por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y

los últimos los minoritarios. La cantidad de portadores mayoritarios será función directa

de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Fósforo (dopaje N). En el

caso del Fósforo, se dona un electrón

Dopaje de tipo N

11-3.2 Tipo P

Se llama así al material que tiene átomos de impurezas que permiten la

formación de huecos sin que aparezcan, como ocurre al romperse una ligadura,

electrones asociados a los mismos. Los átomos de este tipo se llaman aceptores, ya que

"aceptan" o toman un electrón, y serán de valencia tres como el Aluminio, el Indio o el

Galio. Nuevamente, el átomo introducido es neutro, por lo que no modificará la

neutralidad eléctrica del cristal; pero, debido a que solo tiene tres electrones en su

última capa de valencia, aparecerá una ligadura rota que tendrá afinidad por tomar

electrones de los átomos próximos; generando finalmente más huecos que electrones

por lo que los primeros serán los portadores mayoritarios y los segundos los

minoritarios. Al igual que en el material tipo N, la cantidad de portadores mayoritarios

será función directa de la cantidad de átomos de impurezas introducidos.

El siguiente es un ejemplo de dopaje de Silicio por el Boro (P dopaje). En el

caso del boro le falta un electrón y, por tanto, es donado un hueco de electrón.

Dopaje de tipo P

11-4 Dopaje en Conductores Orgánicos

Polímeros conductores pueden ser dopados al agregar reactivos químicos para

oxidar (o algunas veces reducir) el sistema para ceder electrones a las órbitas

conductoras dentro de un sistema potencialmente conductor. Existen dos formas

principales para dopar un polímero conductor, ambas a través de un proceso redox (o de

oxidación - reducción). En el primer método, dopado químico, se expone un polímero

como la Melanina (típicamente una película delgada), a un oxidante (típicamente Yodo

o Bromo) o a un agente reductor (bastante menos común, pero típicamente se utilizan

metales alcalinos). El segundo método es el dopaje electroquímico, en dónde un

electrodo de trabajo revestido de polímero es suspendido en una solución electrolítica en

dónde el polímero es insoluble junto al electrodo opuesto y de referencia separados. Se

crea una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos, la cual causa que una

carga (y su correspondiente ión del electrolito) entren en el polímero en la forma de

electrones agregados (dopaje tipo N) o salgan del polímero (dopaje tipo P), según la

polarización utilizada.

La razón por la cual el dopaje tipo N es mucho menos común es debido a que la

atmósfera de la tierra, la cual es rica en oxígeno crea un ambiente oxidante. Un

polímero tipo N rico en electrones reaccionaría inmediatamente con el oxígeno

ambiental y se des-doparía (o re-oxidaría) nuevamente al polímero a su estado natural.

(Enciclopedia Wikipedia, 2010).

CAPÍTULO XII

ALEACIONES

En este capítulo se conocerán algunos conceptos básicos relacionados con las

aleaciones de materiales y se conocerán dos tipos de aleaciones en ingeniería más

comunes como son las ferrosas y no ferrosas.

12-1 Diagrama de Hierro−Carbono

Cuando el acero con constitución austenica, se enfría lentamente, la austenita se

transforma en distintos productos; así por ejemplo, si el acero es hipoeutectoide la

austenita sé transforma inicialmente en ferrita hasta la temperatura eutectoide, a la cual

la austenita remanente se transforma en perlita. La micro estructura final será perlita y

ferrita proeutectoide en una proporción que depende de la composición y la velocidad

de enfriamiento.

Si el acero es de composición eutectoide, la austenita se transforma

completamente en perlita; si la composición hipereutectoide se obtiene cementita

proeutectoide y perlita como producto de la transformación.

Cuando la velocidad de enfriamiento aumenta, la morfología de la ferrita y la

cementita proeutectoide cambia y la perlita se hace más fina. A una velocidad elevada,

los anteriores constituyentes desaparecen súbitamente a una velocidad de enfriamiento

crítico, y aparece una estructura nueva más dura que es la martensita.

Estos productos, obtenidos por enfriamiento rápido, son meta estables desde un

punto de vista termodinámico de gran utilidad para la ingeniería debido a sus

propiedades.

12-1.1.Propiedades físicas y químicas

Austenita: Es una solución sólida de carbono o carburo de hierro en hierro

gamma. Puede contener desde 0 −1.7% de carbono y es, por lo tanto, un constituyente

de composición variable. Todos los aceros se encuentran formados por cristales de

austenita cuando se calienta a temperatura superior a las criticas. Aunque generalmente

es un constituyente inestable, se puede obtener esa estructura a la temperatura ambiente

por enfriamiento rápido de aceros de alto contenido en carbono de muy alta aleación.

Su resistencia es de 88 − 105 Kg/ml aprox. Su dureza de 300 Brinell y su alargamiento

de 30 a 60%. Es poco magnética, blanda, muy dúctil y tenaz. Tiene gran resistencia al

desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros. En los aceros austeniticos de

alta aleación se presenta formando cristales poliédricos parecidos a los de la ferrita, pero

se diferencia de estos por ser sus contornos más rectilíneos y ángulos vivos.

Ferrita: La ferrita es hierro alfa ósea hierro casi puro que puede contener en

solución pequeñas cantidades de silicio, fósforo y otras impurezas.

Tiene aproximadamente una resistencia de 28 kg/ml , 35% de alargamiento y

una dureza de 90 unidades de brinell. Es él más blando de todos los constituyentes del

acero, muy dúctil y maleable. Magnética y de pequeñas fuerza coercitiva.

En los aceros pueden aparecer bajo fuerzas muy diversas:

1. Como elementos proeutectoide que acompaña a la perlita.

2. También aparece como elemento eutectoide de la perlita, formando laminas

paralelas, separadas por otras laminas de cementita.

3. En la estructura globular propia de los aceros al carbono de herramientas de

0.9 a 1.4% recocido a temperatura próxima de 701°.

4. Los aceros hipoeutectoides templados pueden estar mezclados con martensita

o con cualquier elemento de transición.

Cristaliza con estructura BCC y disuelve máximo de 1.0218% de carbono a

727°C , es blando y dúctil.

Cementita: Cementita o también llamada carburo de hierro CFe contiene el

6.67% de carbono y el 93.33% de hierro es el constituyente más duro y frágil de los

aceros al carbono, su dureza es superior a los 68 rockwell−c.

Por su gran dureza queda en relieve después del pulido pudiendo conocerse

perfectamente el contorno de los granos o de las láminas.

Es magnética a la temperatura ordinaria pero pierde esta propiedad a 218°.

Después de examinar microscópicamente podemos deducir:

− Al formar parte de la perlita se llama cementita perlitica o eutectoide tomando

forma de laminas paralelas separadas.

− Como cementita globular se presenta en forma de pequeños glóbulos o granos

dispersos en una matriz de ferrita.

Cristaliza con estructura ortorrumbica con parámetros 4.5 x 6.7 Å. Es el

constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono.

Perlita: Esta se clasifica en: perlita gruesa y perlita fina, las propiedades de estas

son:

− En la perlita gruesa tiene una separación entre las láminas de unos 400 mm y

una dureza de 200 Brinell, que se obtiene por enfriamiento muy lento dentro del horno.

Para observar esta estructura es necesario utilizar unos 500 aumentos.

− En la perlita fina, se obtiene cuando se enfría dentro del horno bastante

rápidamente o cuando se deja enfriar el acero al aire, tiene 250 mm y 300 Brinell de

dureza.

Bainita: Se diferencian dos tipos de estructuras. La bainita superior de aspecto

arborescente, formada a 500°−550°, que difieren bastante de la bainita inferior, formada

a mas baja temperatura 250°−400°, que tiene un aspecto acicular bastante parecido a la

martensita. La Bainita superior está formada por una matriz ferritica conteniendo

carburos. Las placas discontinuas de los carburos tienden a tener una orientación

paralela a la dirección de las agujas de la propia bainita.

La bainita inferior está constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen

delgadas placas de carburos.

Estas pequeñas placas son paralelas entre si y su dirección forma un ángulo de

60° con el eje de las agujas de ferrita. Su morfología cambia progresivamente con la

temperatura de transformación en el sentido de que el tamaño de las partículas y la

acicularidad de la estructura aumentan al disminuir la temperatura.

Martensita: Es el constituyente típico de los aceros templados. Se admite que

está formado por una solución sólida sobre saturada de carbono o carbono de hierro en

hierro alfa, y que se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde altas

temperaturas.

Sus propiedades químicas varían con su composición, aumentando su dureza,

resistencia y fragilidad con el contenido en carbono, hasta un máximo de 0,09%

aproximadamente.

Tiene una resistencia de 170 a 250 kg./mm, una dureza de 50 a 68 rockwell−c y

un alargamiento de 2.5 a 95%. Es magnética.

Su estructura varía de BCC a tetragonal de cuerpo centrado.

Cuando se forma ni si quiera los átomos de carbono se pueden difundir

quedando atrapados en los intersticios octaedrales y creando una ferrita supersaturada,

con una estructura cristalina tetragonal de un cuerpo centrado, que es la martensita

fresca o blanca.

Cuando el temple se hace a la temperatura correcta, en general se obtienen

estructuras de martensita muy fina, de aspecto difuso, que suelen exigir 1000 o más

aumento para su visualización. A la retícula tetragonal obtenida en le temple se le llama

martensita alfa.

12-1.2.Definición de acero

Acero es una aleación de hierro carbono, con un contenido de carbono inferior al

2.11%, que contiene elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades

mecánicas específicas para su utilización en la industria. Los productos férreos con más

de 2.11% de carbono se denominan Fundiciones de hierro.

− Atendiendo al porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en:

Aceros hipoentectoides, si su porcentaje de carbono es inferior al punto

S(entectoide), o sea al 0,89%.

Aceros hiperentectoides, si su porcentaje de carbono es superior al punto S.

− Desde el punto de vista de su composición, los aceros se pueden clasificar en

dos grandes grupos:

Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y carbono

Aceros aleados: Contienen, además del carbono otros elementos en cantidades

suficientes como para alterar sus propiedades (dureza, puntos críticos, tamaño del grano,

templabilidad, resistencia a la corrosión).

− Con respecto a su composición, puede ser:

De baja o alta aleación y los elementos que puede contener el acero pueden ser

tanto deseables como indeseables, en forma de impurezas.

− Elementos que influyen en la resistencia a la corrosión.

El cromo favorece la resistencia a la corrosión; integra la estructura del cristal

metálico, atrae el oxigeno y hace que el acero no se oxide.

El molibdeno y el volframio también favorecen la resistencia a la oxidación.

− Clasificación según la aplicación de los metales

En la industria, cada fabricante designa los aceros que produce con una

denominación arbitraria, lo cual origina una verdadera complicación a la hora de elegir

un acero o de establecer las equivalencias entre aceros de distintos fabricantes. Para

evitar este inconveniente, el instituto del hierro y el acero adopta una clasificación que

se ha incluido en las normas UNE españolas. (También existen las normas AISI de

Estados Unidos)

El IHA clasifica los materiales metalúrgicos en 5 grandes grupos:

F− Aleaciones férreas

L− Aleaciones ligeras

C− Aleaciones de cobre

V− Aleaciones varias

S− Productos sintetizados

Estos productos metalúrgicos se clasifican en series, grupos y tipos.

Las series que corresponden a los aceros van desde la F−100 hasta la F−900

La serie F−300 corresponde a los aceros resistentes a la oxidación y a la

corrosión, en particular la serie

F−310 corresponde a los aceros inoxidables.

Los aceros se suministran en estado bruto de forja o laminación.

12-1.3.Tratamientos en los aceros

Son los procesos a los que se somete los metales y aleaciones ya sea para

modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien por

transformación de sus constituyentes.

El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas,

dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de

esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor

plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación.

Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o consistir en la aportación de

algún elemento a la superficie de la pieza.

Tratamientos térmicos:

Recocido, temple, revenido, normalizado

Tratamientos termoquímicos:

Cementacion, nitruracion, cianurizacion, etc.

Tratamientos mecánicos:

Se somete al metal a propiedades de propiedades frío o caliente para mejorar sus

propiedades mecánicas y además darle formas determinadas.

Al deformar propiedades de un metal mediante martillado, laminado, etc., sus

granos son deformados alargándose en el sentido de la propiedades. Lo mismo pasa con

las impurezas y defectos, se modifican las estructuras y las propiedades del metal.

Tratamientos en frío:

Son los tratamientos realizados por debajo de la temperatura de recristianización,

pueden ser profundos o superficiales.

Aumento de la dureza y la resistencia a la tracción.

Disminuye su plasticidad y tenacidad

Cambio en la estructura: deformación de granos y tensiones originadas, se dice

entonces que el metal tiene acritud (cuanto más deformación, más dureza)

Se produce fragilidad en el sentido contrario a la deformación (falta de

homogeneidad en la deformación iguales tensiones en las diferentes capas del metal)

Cuando el metal tiene acritud, solo debe usarse cuando no importe su fragilidad

o cuando los esfuerzos solo actúen en la dirección de la deformación

12-1.4.Formación de martensita en el acero

El diagrama de fases hierro−carbono de la figura 1 indica las fases de hierro y

carburo de hierro (cementita) presentes bajo condiciones de equilibrio. Se asume que el

enfriamiento desde una temperatura alta ha sido lo suficientemente lento para permitir

que la austenita se descomponga en una mezcla de ferrita y cementita (Fe3C) a

temperatura ambiente.

Esta reacción de descomposición requiere de difusión y otros procesos que dependen

del tiempo y la temperatura para transformar el metal en su forma final preferida. Sin

embargo, bajo condiciones de enfriamiento rápido que eviten el equilibrio de la

reacción, la austenita se transforma en una fase de no equilibrio llamada martensita. La

martensita es una fase dura y frágil que da al acero su capacidad única de endurecerse a

valores muy altos

DIAGRAMA DE FASES HIERRO-CARBONO

12-1-5. Curva tiempo−temperatura−transformación

La naturaleza de la transformación a martensita puede entenderse mejor usando

la curva tiempo − temperatura

− Transformación (curva TTT) para acero eutectoide ilustrada en la figura. La

curva muestra cómo la velocidad de enfriamiento afecta la transformación de austenita

en varias fases posibles. Las fases se pueden dividir en 1) formas alternativas de ferrita

y cementita y 2) martensita.

Las fases se pueden dividir en 1) formas alternativas de ferrita y cementita y 2)

martensita. El tiempo se representa (logarítmicamente por conveniencia) a lo largo del

eje horizontal, y la temperatura en el eje vertical. La curva se interpreta partiendo del

tiempo cero en la región austenita (en un lugar arriba de la línea de temperatura A1 para

una composición dada) y contínua hacia abajo y a la derecha a lo largo de una

trayectoria que muestra cómo se enfría el metal en función del tiempo. La curva TTT

que muestra la figura es para una composición específica de acero (0.80% de C). La

forma y posición de la curva es diferente para otras composiciones.

A velocidades lentas de enfriamiento la trayectoria pasa a través de la región,

indicando una transformación a perlita o bainita que son formas alternativas de mezclas

ferrita−carburo. Como estas transformaciones toman tiempo, el diagrama TTT muestra

dos líneas, el inicio y el fin de la transformación conforme transcurre el tiempo,

indicando las diferentes regiones de fase por los subíndices s y f , respectivamente. La

perlita es una mezcla de fases ferrita y carburo en la forma de placas delgadas paralelas.

Se obtiene por enfriamiento lento de la austenita de manera que la trayectoria de

enfriamiento pase a través de Ps arriba de la nariz de la curva TTT. La bainita es una

mezcla alternativa de las mismas fases, que puede producirse mediante un enfriamiento

inicial rápido a una temperatura por encima de Ms, de manera que se evite la nariz de la

curva TTT; la siguiente etapa es un enfriamiento mucho más lento para pasar a través de

Bs y dentro de la región ferrita−carburo. La bainita tiene una estructura en forma de

agujas o plumas que consiste en finas regiones de carburo.

Si el enfriamiento ocurre a una velocidad suficientemente rápida (indicada por la

línea punteada en nuestro diagrama), la austenita se transforma en martensita. La

martensita es una fase única que consiste en una solución hierro−carbono cuya

composición es igual a la de la austenita de la cual deriva. La estructura tetragonal

centrada en el cuerpo (BCT) de la martensita, sin que ocurra el proceso de difusión, el

cual está en función del tiempo y es necesario para separar la ferrita y el carburo de

hierro en las transformaciones precedentes.

Durante el enfriamiento, la transformación de la martensita empieza a cierta

temperatura Ms y termina a una temperatura más baja Mf, como se muestra en nuestro

diagrama TTT. En los puntos entre estos dos niveles, el acero es una mezcla de

austenita y martensita. Si se detiene el enfriamiento a una temperatura entre las líneas

Ms y Mf, la austenita se transformará en bainita tan pronto como la trayectoria

tiempo−temperatura cruce el umbral de Bs.

El nivel de la línea Ms se deprime por debajo de la temperatura ambiente,

haciendo imposible para estos aceros la formación de martensita mediante métodos de

tratamiento térmico tradicional.

La dureza extrema de la martensita resulta de la deformación reticular creada por

los átomos de carbono atrapados en la estructura BCT, que forman una barrera al

deslizamiento. La figura 3 muestra el efecto significativo que tiene la martensita sobre

la transformación de la dureza del acero, al aumentar el contenido de carbono.

12-1.6.Procesos de tratamiento térmico

El tratamiento térmico para formar martensita consiste en dos pasos:

austenitización y temple. A estos pasos le sigue frecuentemente un revenido para

producir martensita revenida. La austenitización implica calentamiento del acero a una

temperatura lo suficiente alta para convertirlo entera o parcialmente en austenita. Esta

temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fase para la composición

particular de la aleación. La transformación a austenita implica un cambio de fase que

requiere tiempo y calentamiento; en consecuencia, se debe mantener el acero a

temperatura elevada por un periodo suficiente de tiempo para permitir que se forme la

nueva fase y alcance la homogeneidad de composición requerida.

El templado implica que el enfriamiento de la austenita sea lo suficientemente

rápido para evitar el paso a través de la nariz de la curva TTT, como se indica en la

trayectoria de enfriamiento de la figura 2. La velocidad de enfriamiento depende del

medio de temple y la velocidad de transmisión de calor dentro de la pieza de acero. Se

usan varios medios de temple en las operaciones comerciales de tratamiento térmico que

incluyen: 1) salmuera (agua salada) generalmente agitada, 2) agua fresca en reposo, 3)

aceite en reposo y 4) aire. El temple en salmuera agitada suministra el enfriamiento más

rápido de las superficies calentadas de la parte, mientras que el temple al aire es el más

lento. El problema es que mientras más efectivo sea el medio de temple en el

enfriamiento, es más probable que cause esfuerzos internos, distorsión y grietas en el

producto.

La velocidad de transferencia de calor en el interior de la pieza depende en gran

medida de su masa y geometría. Una forma cúbica grande se enfriará mucho más

despacio que una lámina delgada pequeña. El coeficiente de conductividad térmica k de

la composición particular es también un factor en el flujo de calor dentro del metal. Hay

una considerable variación de k para diferentes grados de acero, por ejemplo, el acero al

bajo carbono tiene un valor típico de k igual a 2.2 Btu/hr−pulg−°F (0.046

J/seg−mm−°C), mientras que un acero de alta aleación debe tener una tercera parte de

este valor.

La martensita es dura y frágil. El revenido es un tratamiento térmico que se

aplica a los aceros endurecidos para reducir su fragilidad, incrementar su ductibilidad y

tenacidad y aliviar los esfuerzos en la estructura de la martensita. El tratamiento implica

calentamiento y mantenimiento de ésta a una temperatura por debajo de la eutectoide

durante aproximadamente una hora, seguido de un enfriamiento lento. El resultado es la

precipitación de partículas muy finas de carburo de la solución martensítica

hierro−carbono y la transformación gradual de la estructura cristalina de BCT a BCC.

Esta nueva estructura se llama martensita revenida. Una ligera reducción en resistencia

y dureza producen una mejora en ductibilidad y tenacidad. La temperatura y el tiempo

del tratamiento del revenido controlan el grado de suavización del acero endurecido, ya

que el cambio de martensita no revenida a revenida implica difusión.

Los tres pasos del tratamiento térmico del acero para formar martensita revenida

pueden ser representados como se muestra en la figura 4. Hay dos ciclos de

calentamiento y enfriamiento, el primero para producir martensita y el segundo para

revenirla.

12-1.7. Templabilidad

El término templabilidad se refiere a la capacidad relativa de un acero de ser

endurecido por transformación a martensita. Es una propiedad que determina la

profundidad por debajo de la superficie templada a la cual el acero se endurece o la

severidad del temple requerido para lograr una cierta penetración de la dureza. Los

aceros con buena templabilidad pueden endurecerse más profundamente debajo de la

superficie y no requieren altas velocidades de enfriamiento. La templabilidad no se

refiere a la máxima dureza que se puede lograr en el acero; eso depende del contenido

de carbono.

La templabilidad de un acero se incrementa mediante la aleación. Los elementos

aleantes que tienen el mayor efecto son el cromo, el manganeso, el molibdeno y el

níquel en menor grado. El mecanismo mediante el cual operan estos elementos aleantes

es el aumento del tiempo antes de que ocurra la transformación de austenita a perlita en

el diagrama TTT. En efecto, la curva TTT se mueve hacia la derecha, permitiendo así

velocidades de enfriamiento más lentas durante el apagado. Por tanto la trayectoria del

enfriamiento es capaz de seguir más fácilmente una ruta más lenta hacia la línea Ms,

evitando el obstáculo impuesto por la nariz de la curva TTT.

El método más común para medir la templabilidad es el ensayo de Jominy del

extremo templado. El ensayo involucra el calentamiento de un espécimen normal de

diámetro = 1.0 pulg (25.4 mm) y longitud = 4.0 pulg (102 mm) hasta la escala de la

austenita y después el templado de uno de sus extremos con agua fría mientras se

sostiene verticalmente, como se muestra en la figura 5(a). La velocidad de enfriamiento

en el espécimen de prueba disminuye con el incremento de la distancia desde el extremo

que se templa. La templabilidad es indicada por la dureza del espécimen como una

función de la distancia desde el extremo templado como se muestra en la figura 5(b).

12-1.8.Aceros resistentes a la oxidación y la corrosión

En los aceros inoxidables, la acción de los elementos aleados es sustancial,

además de estructural, y depende del porcentaje del o los elementos de la aleación

El cromo es el elemento aleado que más influye en la resistencia a la oxidación y

a la corrosión de los aceros.

Un 12% de cromo ya impide la corrosión por el aire ambiente húmedo. Para la

oxidación a altas temperaturas se puede necesitar hasta un 30 %.

El Níquel mejora la resistencia a la corrosión de los aceros al cromo y el

Molibdeno mejora la resistencia a la oxidación altas temperaturas.

Aceros inoxidables son resistentes a la corrosión atmosférica, s los ácidos y

álcalis y a la oxidación a temperaturas no muy elevadas.

Clasificación según estructura en estado de utilización:

Ferriticos

Martensiticos

Austeniticos

Aceros ferriticos:

Estructura ferritica a cualquier temperatura (o se convierte en estructura

ausenitica en el calentamiento). El grano no se regenera

Composición:

15−18% de cromo y una máxima de 0,12% de carbono

Resistencia a la corrosión superior a la de los martensiticos

20−80% de cromo y una máxima de 0,35% de carbono

Aceros al cromo−aluminio hasta un 4% más resistentes a la oxidación

Son difíciles de soldar y se usan en embuticion profunda por su gran ductilidad

Son magnéticos.

Aceros martensiticos:

Gran dureza cuando se los enfría rápidamente una vez austenizados.

12 − 14 % de cromo, 0,20 − 0,50% de carbono

Principalmente en cuchillería.

16−18% de cromo, 0,60−1; 20% de carbono

Por temple adquieren grandes durezas.

Resistentes a la corrosión y al desgaste

Tipo normalizado AISI −311: acero inoxidable extra dulce.

Menos del 0,1% de carbono, 13% de cromo y 0,30 % de níquel.

Resiste a la corrosión atmosférica, la del agua corriente y la de los ácidos y

álcalis débiles.

Fácilmente sondable

Usos: utensilios domesticos, griferia, ornamentacion, cuberteria, etc.

Aceros austeniticos:

Estructura auseniticos a cualquier temperatura

Baja conductividad calorífica

Es el tipo de aceros más utilizados

Tipo normalizado AISI −314 Acero inoxidable ausenitico al cromo níquel

conocido como18/8.Contiene

0,08% de carbono, 18% de cromo y 9% de níquel.

Muy dúctil y resistente a la corrosión atmosférica, al agua de mar, al ataque de

productos alimenticios, ciertos

Ácidos minerales y de la mayoría de los ácidos orgánicos.

Usos: Construcción de equipos para la industria química y de la alimentación,

Utensilios de cocina y aparatos

Domésticos que no requieren soldaduras en las zonas sometidas a fuerte

corrosión.

Admite pulidos con acabados a espejo, por lo que también se usa para

ornamentación.

12-1.9.Descripción del diagrama hierro−carbono

Diagrama hierro−carburo de hierro

La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está

influida por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. La

figura muestra la porción de interés del sistema de aleación de hierro−carbono. Esta es

la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro, Fe3C, que

contiene 6.67% de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de

equilibrio hierro−carburo de hierro.

Antes de estudiar este diagrama, es importante que el lector entienda que éste no

es un verdadero diagrama de equilibrio, pues equilibrio implica que no hay cambio de

fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se

descompondrá en hierro y carbono (grafito), lo cual tomará un tiempo muy largo a

temperatura ambiente, y aun a 1,300ºF tarda varios años formar el grafito. El carburo de

hierro se llama fase metaestable; por tanto, el diagrama hierro−carburo de hierro,

aunque técnicamente representa condiciones metaestables, puede considerarse como

representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y

enfriamiento relativamente lentos.

El diagrama muestra tres líneas horizontales que indican reacciones isotérmicas.

En términos generales, la figura A−1 se ha marcado con letras griegas para representar

las soluciones sólidas; sin embargo, es práctica común dar nombres especiales a la

mayoría de las estructuras que aparecen en el diagrama. La solución sólida se llama

austenita. La figura A−2 muestra ampliada la porción del diagrama de la esquina

superior izquierda. Esta se conoce como región delta, debido a la solución sólida _. El

lector debe reconocer la línea horizontal a 2,270ºF, por ser una reacción peritéctica. La

ecuación de la reacción peritéctica se puede escribir como:

Enfriamiento

Líquido + _ austenita

Calentamiento

Cuadro 12-1. Propiedades Tensiles del Hierro Forjado sin Aleación y del Hierro Forjado al Níquel.

La solubilidad máxima del carbono en Fe _ b.c.c. es de 0.10% (punto M),

mientras que en el Fe _ f.c.c. es mucho mayor. La presencia de carbono influye en el

cambio alotrópico _ _. Conforme se agrega carbono al hierro, la temperatura del cambio

alotrópico aumenta de 2,2554 a 2,720ºF al 0.10% de C. Considérese el significado de la

línea NMPB. Al enfriar, la porción NM representa el principio del cambio de estructura

cristalina de Fe _ b. c.c. a Fe _ f.c.c. para aleaciones que contienen menos del 0.10% de

C. La porción MP representa el principio del cambio de estructura cristalina por medio

de una reacción peritéctica para aleaciones entre 0.10 y 0.18% de C. Para aleaciones que

contienen menos del 0.18% de C al enfriar, el fin del cambio de estructura cristalina está

dado por la línea NP. La porción PB representa el principio y el fin del cambio de

estructura cristalina por medio de la reacción peritéctica. En otras palabras, para

aleaciones entre 0.18 y 0.50% de C, el cambio alotrópico empieza y termina a

temperatura constante. Nótese que cualquier aleación que contiene más del 0.50% de C

cortará el diagrama a la derecha del punto B y solidificará en austenita directamente.

Como ningún tratamiento térmico comercial se hace en la región delta, no habrá razón

para referirse nuevamente a esta porción del diagrama.

El diagrama que tiene los nombres comunes insertados, muestra una reacción

eutéctica a 2,065ºF. El punto eutéctico, E, está a 4.3% de C y a 2,065ºF. Como la línea

horizontal CED representa la reacción eutéctica, siempre que una aleación cruce esta

línea, la reacción deberá ocurrir. Cualquier líquido que esté presente cuando esta línea

se alcanza debe ahora solidificar en la muy fina mezcla íntima de las dos fases que están

en cualquier extremo de la línea horizontal: austenita y carburo de hierro (llamada

cementita). Esta mezcla eutéctica se llama ledeburita, y la ecuación puede escribirse

como:

Enfriamiento

Líquido + _ austenita + cementita

Calentamiento

Mezcla eutéctica−ledeburita

La mezcla eutéctica generalmente no se ve en la microestructura, ya que la

austenita no es estable a temperatura ambiente y debe sufrir otra reacción durante el

enfriamiento.

Hay una pequeña área de solución sólida a la izquierda de la línea GH. Se sabe

que 1,666ºF representa el cambio en estructura cristalina de hierro puro _ f.c.c. a _ b.c.c.

Esa área es una solución sólida en una pequeña cantidad de carbono disuelto en Fe _

b.c.c. y se llama ferrita. El diagrama muestra una tercera línea horizontal HJK, que

representa una reacción eutectoide. El punto eutectoide, J, está a 0.80% de C y a

1,333ºF.

Cualquier austenita presente debe ahora transformarse en la muy fina mezcla

eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. La ecuación puede escribirse como

enfriamiento

Líquido ferrita + cementita

Calentamiento

Mezcla eutéctoide−perlita

Por debajo de la línea de temperatura eutoide, cada aleación consistirá de una

mezcla de ferrita y cementita según lo indicado.

Si se toma como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el

diagrama hierro−carburo de hierro en dos partes. Aquellas aleaciones que contienen

menos del 2% de carbono se conocen como aceros, y aquellos que contienen más del

2% de carbono se conocen como hierros fundidos. El intervalo de acero se subdivide

aún más en base al contenido de carbono eutectoide (0.8% de C). Los aceros que

contienen menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en tanto que los que

contienen de 0.8 a 2.0 por ciento de C se llaman aceros hipereutectoides. El intervalo de

hierro fundido también puede subdividirse por el contenido de carbono eutéctico (4.3%

de C). Los hierros fundidos que contienen menos del 4.3% de C se conocen como

hierros fundidos hipoeutécticos, en tanto que los que contienen más del 4.3% de C se

llaman hierros fundidos hipereutécticos.

12-1.10.Definición de estructuras

Ahora se definirán los nombres que, por razones descriptivas o conmemorativas,

se han asignado a las estructuras que aparecen en este diagrama.

La cementita o carburo de hierro, fórmula química Fe3C, contiene 6.67% de C

por peso. Es un compuesto intersticial típicamente duro y frágil de baja resistencia tensil

(aprox. 5000 lb/plg²), pero de alta resistencia compresiva. Es la estructura más dura que

aparece en el diagrama. Su estructura cristalina es ortorrómbica.

Austenita es el nombre dado a la solución sólida. Es una solución sólida

intersticial de carbón disuelto en hierro (f.c.c.). La máxima solubilidad es del 2% de C a

2,065ºF (punto C). Las propiedades promedio son: resistencia tensil, 150,000 lb/plg²;

elongación, 10 por ciento en 2 plg.; dureza, Rockwell C 40, aproximadamente; y

tenacidad, alta. Generalmente no es estable a la temperatura ambiente. Bajo ciertas

condiciones, es posible obtener austenita a la temperatura ambiente, y su

microestructura se muestra en la figura.

Ledeburita es la mezcla eutéctica de austenita y cementita; contiene 4.3% de C y

se forma a 2,065ºF.

Ferrita es el nombre dado a la solución sólida _. Es una solución sólida

instersticial de una pequeña cantidad de carbón disuelto en hierro _ (b.c.c.). La máxima

solubilidad es 0.025% de C a 1,333ºF (punto H), y disuelve sólo 0.008% de C a

temperatura ambiente. Es la estructura más suave que aparece en el diagrama. Las

propiedades promedio son: resistencia tensil, 40,000 lb/plg²; elongación, 40 por ciento

en 2 plg; dureza, menor que la Rockwell C 0 o que la Rockwell B 90.

Perlita (punto J) es la mezcla eutectoide que contiene 0.80 por ciento de C y se

forma a 1,333ºF a un enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o

laminar de ferrita y cementita. También se muestra la fina mezcla tipo huella dactilar,

llamada perlita. La base o matriz ferrítica blanca que forma la mayoría de la mezcla

eutectoide contiene delgadas placas de cementita. La figura muestra la misma

estructura, amplificada 17,000 veces con el microscopio de electrones. Las propiedades

promedio son: resistencia tensil, 12,000 lb/plg²; elongación, 20% 2n 2 plg; dureza,

Rockwell C 20, Rockwell B 95−100 o BHN 250−300.

12-1.11. Solubilidad de carbono en hierro

La austenita, que es f.c.c. con cuatro átomos por celda unitaria, representa un

empaquetamiento de átomos mucho más denso que la ferrita, que es b.c.c. con dos

átomos por celda unitaria. Esto se demuestra por la expansión que tiene lugar cuando la

austenita cambia a ferrita en enfriamiento lento. Si se supone que los átomos de hierro

son esferas, es posible, de las dimensiones reticulares y suponiendo que la distancia de

mayor aproximación es igual al diámetro atómico, calcular la cantidad de espacio vacío

en ambas estructuras cristalinas. El cálculo muestra que el porcentaje de espacio sin

llenar en la red f.c.c. es del 255 y en la red b.c.c. es del 32%. Tanto en la austenita como

en la ferrita, los átomos de carbono se disuelven intersticialmente, o sea, en los espacios

sin llenar de la estructura reticular. En vista de los cálculos anteriores, podría parecer

extraño que la solubilidad de carbono en austenita es de este modo mucho mayor que en

la ferrita. Este comportamiento, aparentemente no común. El orificio más grande en

ferrita b.c.c. está a la mitad entre el centro de la cara y el espacio entre los dos átomos

de las esquinas. La figura muestra dos de las cuatro posibles posiciones para un átomo

de carbono en la cara frontal de un cubo centrado en el cuerpo. La mayor esfera

intersticial que precisamente ajustaría tiene un radio de 0.36 (10^−8)cm. El orificio

mayor en austenita f.c.c. está en la mitad del camino a lo largo de la orilla entre dos

átomos colocados en esquinas.(El rincón del vago, 1998).

12-2 Aleaciones

Se entiende por aleaciones la unión íntima de dos o más metales en mezclas

homogéneas. Es muy raro encontrar aleaciones al estado natural; se las obtiene por

fusión, mediante el aumento de la temperatura, al estado sólido. Cuando interviene el

mercurio queda al estado líquido, en cuyo caso se denomina amalgama. Cuando se

obtiene una aleación homogénea y bien definida se denomina eutética

Las aleaciones tienen por objeto modificar en un sentido determinado las

condiciones de los metales, tratando de mejorar bajo el punto de vista utilitario, ya sea

su aspecto o su resistencia mecánica. Pero el número de aleaciones empleadas en

construcción es grande, y algunas de ellas, como el bronce y el latón, datan de muy

antiguo. Las aleaciones resultan a veces verdaderas combinaciones químicas, pero en la

mayoría de los casos son simplemente mezclas bastante homogéneas, como puede

comprobarse con el examen microscópico.

También se llama aleaciones a las combinaciones de los metales con los

metaloides. Al alearse un metal con otro, queda afectado el punto de fusión de cada uno

de ellos. Aunque la proporción sea el 50% de cada metal, rara vez es la que pueda

calcularse matemáticamente el punto de fusión de la aleación entre el cobre (punto de

fusión 1088ºC) y el níquel (punto de fusión 1454ºC), cuya aleación al 50% resulta con

un punto de fusión próximo a la media aritmética de esas dos temperatura (Morel,

2010).

12-3 Aleaciones Ferrosas

Las aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación,

mientras que las aleaciones no ferrosas tienen un metal distinto del hierro. Los aceros

que son aleaciones ferrosas, son las más importantes principalmente por su costo

relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas. Las

propiedades mecánicas de los aceros al carbono pueden variar considerablemente por

trabajo en frío y recocido. Cuando el contenido de carbono de los aceros se incrementa

por encima de 0.3%, pueden ser tratados térmicamente por temple y revenido para

conseguir resistencia con una razonable ductilidad. Los elementos de aleación tales

como el níquel, cromo y molibdeno se añaden a los aceros al carbono para producir

aceros de baja aleación. Los aceros de baja aleación presentan buena combinación de

alta resistencia y tenacidad, y son de aplicación común en la industria de automóviles

para usos como engranajes y ejes.

12-3.1 Tipos de aleaciones ferrosas

Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes a causa de

su alta resistencia a la corrosión en medios oxidantes, para ser un acero inoxidable debe

contener al menos 12% de cromo.

Los hierros para fundición son otra familia industrialmente importante de las

aleaciones ferrosas. Son de bajo costo y tienen propiedades especiales tales como un

buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y

durabilidad. La fundición gris tiene un alta maquinabilidad y capacidad de

amortiguamiento de vibraciones, debido a las hojuelas de grafito en su estructura.

(Instituto tecnológico de saltillo, S/A).

12-4. Aleaciones no Ferrosas

Los metales no ferrosos son aquellos que incluyen elementos metálicos y

aleaciones que no se basan en el hierro, algunos ejemplos son el aluminio, el cobre, el

magnesio, el níquel, el zinc entre otros.

Aunque algunos metales no ferroso no pueden igualar la resistencia de los

aceros, algunas aleaciones no ferrosas tienen otras características, como resistencia a la

corrosión y relaciones resistencia-peso.

12-4.1 Tipos de aleaciones no ferrosas

Aluminio y Magnesio

El aluminio y el magnesio son metales ligeros y por este motivo se usan

frecuentemente para aplicaciones de ingeniería, el aluminio se encuentra principalmente

en tierra y el magnesio en el mar, pero aunque es un material abundante es difícil de

extraer.

Cuadro 12-2.Aluminio (b)

El magnesio es un material que se caracteriza por ser el más ligero de los

metales estructurales, pero tiene a oxidarse fácilmente y es altamente inflamable.

Cobre

El cobre es uno de los metales más conocidos por los seres humanos desde la

antigüedad, en la antigüedad se podía encontrar el elemento en forma pura, pero ahora

es difícil encontrarlo en depósitos naturales, ahora se extrae principalmente de sulfuros.

Cuadro 12-3. Cobre (d)

Níquel

Este elemento es similar al hierro en varios aspectos: es magnético y su módulo

de elasticidad es prácticamente el mismo para el hierro y el acero. Difiere del hierro en

que es más resistente a la corrosión y las propiedades de sus aleaciones a altas

temperaturas son generalmente superiores. Debido a sus propiedades similares al hierro

y su alta resistencia a la corrosión, se utiliza como elemento de aleación para el acero,

para obtener acero inoxidable por ejemplo, y también se aplica como material de

chapado sobre otros materiales.

Cuadro 12-4. Níquel (e)

Titanio

Este material es medianamente abundante en la naturaleza, pero su importancia

ha crecido de década en década debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en la cual se

explota su peso ligero y su buena razón de resistencia-peso.

El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo comparado

con otros materiales, siendo que muestra ser más rígido y fuerte que el aluminio;  el

titanio puro es reactivo, lo cual presenta problemas para su procesamiento,

especialmente en su estado fundido.

Cuadro 12-5. Titanio (f)

Zinc

El zinc se destaca por ser un material con un punto de fusión relativamente bajo

lo cual lo hace atractivo como un metal de fundición y al igual que el Níquel sirve de

recubrimiento para otros metales para evitar corrosión, generalmente se utiliza el

término galvanizado cuando se aplica zinc sobre otro material.

Cuadro 12-6. Zinc (g)

Plomo y estaño

Estos materiales se consideran muchas veces juntos, debido a su baja

temperatura de fusión y a que constituyen la aleación de soldadura blanda utilizada para

hacer conexiones eléctricas.

Algunas propiedades del plomo son la baja resistencia y baja dureza, alta

ductilidad y buna resistencia a la corrosión. El estaño tiene un punto de fusión aún más

bajo que la del plomo y entre sus propiedades destacan una baja resistencia, baja dureza

y buena ductilidad.

Cuadro 12- 7. Plomo y Estaño (h)

(Tripod, S/A)

CAPÍTULO XIII

NANOMATERIALES

Aquí estudiaremos la importancia y aplicación en la ingeniería hacia la

comprensión y producción de nuevos materiales y dispositivos. Estos productos suelen

hacer uso copioso de las propiedades físicas asociadas a pequeña escala.

13-1 Nanotecnología

Es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales,

aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la

explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala. Cuando se

manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra

fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la

nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos

con propiedades únicas.

13-2. Nanomateriales

Son materiales a nanoescala. Materiales con características estructurales de una

dimensión entre 1-100 nanómetros. Los nanomateriales pueden ser subdivididos en

nanopartículas, nanocapas y nanocompuestos. El enfoque de los nanomateriales es una

aproximación desde abajo hacia arriba a las estructuras y efectos funcionales de forma

que la construcción de bloques de materiales son diseñados y ensamblados de forma

controlada.

13-2.1 Clasificación de los nanomateriales

Se ha desarrollado una clasificación de lo nanomateriales actuales. Esta fue

realizada por la Agencia del Medioambiente en los Estados Unidos La misma consta de

cuatro tipos:

Basados en carbono Son los que están formados con un gran porcentaje de

carbono, y donde suelen adoptar formas como esferas huecas, elipsoides o tubos.

Basados en metal Son aquellos nanomateriales que incluyen puntos cuánticos,

nanopartículas de oro y plata, y óxidos metálicos como el dióxido de titanio.

Den dímetros Estos nanomateriales, tienen la característica de ser polímeros

construidos a partir de unidades ramificadas.

Compuestos Este tipo de nanomateriales, tienen la capacidad de combinar

nanopartículas con otras similares o con materiales de mayor tamaño. (Rosa, 2009)

13-3 Los Nanomateriales tienen un Futuro Brillante

Nueva, y económica técnica de fabricación para incrementar la producción de

nanomateriales.

Una manera innovadora y poco costosa de hacer nanomateriales en gran escala

ha dado lugar a nuevos tipos de materiales avanzados que preparan el terreno para

inesperadas y excepcionales propiedades ópticas. La nueva técnica de fabricación,

conocida como litografía suave, o SIL, ofrece muchas ventajas significativas sobre las

técnicas existentes, incluyendo la posibilidad de ampliar el proceso de fabricación de

equipos para producirlos en grandes cantidades.

La investigación, financiada por la National Science Foundation (NSF) y

dirigida por Teri Odom de la Universidad Northwestern, apareció en la portada de

septiembre de 2007 de la revista Nature Nanotechnology.

Los nanomateriales ópticos en esta investigación se denominan ‘plasmonic

metamaterials’ debido a que sus propiedades físicas únicas proceden de la forma y la

estructura más que de la composición. Dos ejemplos de metamateriales en el mundo

natural son las plumas del pavo real y las  alas de mariposa. Sus brillantes colores se

deben a las variaciones en las pautas estructurales a nivel de cientos de nanómetros, que

son la causa de absorber o reflejar la luz.

A través del desarrollo de una nueva técnica de nanofabricación, Odom y sus

compañeros de trabajo han logrado hacer de películas de oro con prácticamente infinitas

matrices de perforaciones tan pequeñas como 100 nanómetros, como 500 – 1000 veces

más pequeño que un cabello humano. En una escala ampliada, estas películas perforadas

de  oro parecen queso suizo, excepto que las perforaciones están bien ordenadas y

repartidas en escala macro. La habilidad de los investigadores para crear wafer´s de

estos metamateriales ópticos de bajo costo en grandes láminas o en hojas es lo que hace

importante este trabajo, sobre otras técnicas.

“Uno de los mayores problemas con los nanomateriales ha sido siempre su

‘escalabilidad’ “, dijo Odom.” Ha sido muy difícil o excesivamente costoso trabajar  a

través de zonas de alrededor de un milímetro cuadrado. Esta investigación es interesante

no sólo porque es prueba de un nuevo tipo de técnica de dibujo que es muy barata, sino

que también ahora podremos producir muy alta calidad óptica de  materiales con

propiedades interesantes”

Por ejemplo, si las perforaciones o agujeros son fabricados en “parches”, a

microescala mostrarán diferencias de comportamiento dramáticas a la transmisión de la

luz, en comparación con las películas con infinita cantidad de agujeros donde la luz no

va a centrarse en un “parche”

Además, su transmisión óptica puede modificarse simplemente cambiando la

geometría de perforaciones en vez de tener que “modificar” una nueva composición de

los materiales. Esta característica los hace muy atractivos en términos de ajustar su

conducta a una determinada necesidad con facilidad. Estos materiales también pueden

ser superiores como sensores ópticos, y abren la posibilidad de ultra pequeñas fuentes

de luz. Además, en vista de su organización precisa, que pueden servir como plantillas

para hacer sus propios clones o para la adopción de otras estructuras ordenadas en

nanoescala, tales como matrices de nanopartículas (Rodríguez , 2007).

13-4 Métodos de Síntesis

La síntesis de los nanomateriales (de los cuales nos ocuparemos

fundamentalmente de los nanocerámicos) se efectúa mediante numerosas rutas de las

cuales mencionaremos sólo algunas agrupándolas por el tipo de proceso que las genera.

Las síntesis a partir de una fase gaseosa incluyen las técnicas de plasma,

ablaciónláser, pirólisis por llama y electroexplosión. De todas estas técnicas la más

empleada comercialmente es la de plasma mediante radiofrecuencia y corriente

continua. Se puede obtener una amplia gama de nanomateriales y como las temperaturas

que se alcanzan durante los procesos son muy altas, no sólo se sintetizan materiales

cerámicos sino también refractarios. Si bien la ablación-láser permite obtener

prácticamente cualquier nanomaterial, como se trata de una técnica mezcla de erosión

física y de evaporación, resulta muy lenta y se la reserva para trabajos de investigación.

En el CINSO se desarrolló, la técnica de gelificación-combustión (la que se

puede clasificar dentro de este tipo de procesos) para la obtención de óxidos metálicos

cerámicos nanocristalinos y de semiconductores nanocristalinos. Este método se basa en

la gelificación y posterior combustión de una solución de nitratos de los metales de

interés y un combustible orgánico (glicina, urea, lisina, ácido cítrico, etc.)

El proceso de combustión se debe a la reacción redox exotérmica entre los iones

(oxidantes) y el combustible (reductor). La liberación violenta de gases desintegra el gel

precursor, obteniéndose nanopartículas, cuyo tamaño depende, principalmente, de la

velocidad de la reacción.

Existen también métodos de complejamiento por polimerización como el de

“liquid-mix” el cual resulta muy similar al de gelificación-combustión con ácido cítrico,

en el cual se forman citratos amorfos, pero con la diferencia de agregar etilenglicol a la

mezcla de nitratos y citratos. Esto causa un proceso de polimerización que permite la

obtención de un gel homogéneo. Debido a la red polimérica resultante se evita la

precipitación, la segregación o evaporación de alguno de los cationes de interés.

La técnicas de abrasión y de molido en molino (procesos mecánicos) son las más

antiguas y se basan en la molienda, en molinos de bolas de tipo planetario o rotatorio, de

polvos gruesos hasta obtener partículas muy finas. Permiten moler partículas metálicas

o materiales inorgánicos pero, es obvio que, no resultan empleables para materiales

orgánicos.

Los procesos de química húmeda incluyen la química coloidal, los métodos

hidrotérmicos, los de sol-gel y otros procesos de precipitación. Consisten en mezclar

soluciones de los distintos iones en proporciones adecuadas, controlando parámetros

tales como solubilidad y temperatura para precipitar compuestos insolubles. Estos son

filtrados y secados hasta producir un polvo (el cual si no resulta suficientemente fino se

lo puede moler en molino). Particularmente, la técnica de sol-gel permite obtener polvos

muy finos con un grado de aglomeración muy bajo aunque, en general, debe partirse de

materias primas costosas y su implementación es difícil en comparación con otros

métodos por vía húmeda. Se basa en la hidrólisis de una solución alcohólica de un

alcóxido del metal cuyo óxido se quiere obtener, resultando un gel por concentración de

la solución hidrolizada. El gel obtenido se seca y calcina.

Los métodos de síntesis in-situ: incluyen la litografía, la deposición física o

química a partir de vapor y el recubrimiento por “spray”. Cuando las partículas se

obtienen por raspado de los depósitos, las técnicas no resultan muy eficientes debido a

la inhomogeneidad del tamaño de las partículas y, en consecuencia, no son

frecuentemente empleadas en la producción de nanocompuestos.

13-5 Técnicas de caracterización

La caracterización de los compuestos nanocristalinos para determinar el tamaño

de partícula o “cristalita” se efectúa por difracción de rayos X (XRD). Una vez obtenido

el difractograma, la determinación más sencilla del tamaño resulta de medir el ancho a

la mitad de la altura de los picos y de aplicar la ecuación de Scherrer Cuando el tamaño

de cristalita es el orden de los nanometros, los picos presentan un ensanchamiento muy

apreciable que dificulta, a veces, la identificación de las fases presentes y/o el análisis

cristalográfico. En muchos casos, es útil estudiar el difractograma mediante el método

de Rietveld que permite obtener valores muy precisos de los parámetros de red y de las

posiciones atómicas, a partir de un modelo estructural conocido.

La microscopía electrónica de transmisión (TEM) y, más aún la de alta

resolución (HRTEM), permiten no sólo determinar el tamaño medio de cristalita sino

también la distribución del tamaño de las mismas (si éstas pueden ser separadas de los

aglomerados).

Por ejemplo, la Figura 13.1 muestra una micrografía de un polvo de

Zr0.1Ce0.9O2 sintetizado por gelificación-combustión empleando glicina como

combustible, donde se observan claramente las cristalitas nanométricas que componen

el material.

Figura 13.1: Micrografía TEM de un polvo nanocristalino de Zr0.1Ce0.9O2. La

barra corresponde a 20 nm.

La Figura 13.2 muestra una micrografía TEM del óxido metálico semiconductor:

ZnO

Sintetizado por el método de gelificación combustión empleando ácido cítrico

como combustible.

También resulta fundamental la determinación del área específica BET, que

permite determinar el “tamaño medio de partícula” (d), suponiendo que la muestra está

formada por partículas esféricas, mediante la ecuación: d = 6/dA, donde d es la densidad

del material y A es el área específica. Este tamaño de partícula normalmente es mayor

que el tamaño de cristalita y da información sobre el grado de aglomeración del

material.

13-6 Aplicaciones

Se reseña a continuación una serie de aplicaciones de los nanomateriales en

general, para referirse luego a dos aplicaciones particulares de los nanocerámicos.

Retención de fases metaestables: por ejemplo, el diagrama de equilibrio de

fases del sistema ZrO2-Y2O3 muestra a concentraciones bajas de Y2O3 (2-3 %molar) y

en un rango de temperaturas intermedias (500-700ºC), una fase tetragonal, buena

conductora iónica. Si se intenta retener esta fase a temperatura ambiente se transforma

en la fase monoclínica de baja conducción iónica. Sin embargo, es posible retener la

fase tetragonal en polvos nanocristalinos y en cerámicos densos de tamaño de grano

submicrométrico Algo similar ocurre en los sistemas ZrO2-CeO2 y ZrO2- CaO Se ha

encontrado también que, en diversos sistemas basados en ZrO2, la fase tetragonal

presenta tres formas metaestables, denominadas t, t’ y t» .

En los sensores de gases (por ej. para CO y gases volátiles orgánicos-VOCs) se

emplean semiconductores de óxido metálico dopados, apreciándose un aumento notable

de la sensibilidad cuando se los fabrica con materiales nanocristalinos.

Las perovskitas basadas en LaMnO3, que presentan “magnetorresistencia

colosal” cerca de la temperatura de Curie en mono cristales y en películas delgadas,

alcanzan una magnetorresistencia mayor a bajo campo en un amplio rango de

temperaturas en el caso de materiales poli cristalinos nanoestructurados.

Los semiconductores de óxido metálico II-VI nanoestructurados (por ej. ZnO)

presentan cambios importantes en sus propiedades ópticas.

Las propiedades mecánicas de cerámicos nanoestructurados también varían

notablemente debido al tamaño de cristalitas llegando a presentar el fenómeno de

superplasticidad.

En el área de energía se emplean: Ni e hidruros nanometálicos para baterías,

seria nanocristalina en “diesel” para catalizadores ambientales, TiO2 nanocristalino para

celdas solares sensibilizadas a los colores, materiales nuevos o mejorados para celdas de

combustible sólidas: electrolitos y materiales de electrodos Cu nanocristalino para

fluidos de control de temperatura, etc.,

Existen aplicaciones médicas muy interesantes ya que las drogas

nanocristalinas son de absorción más fácil (ya se han comenzado a emplear drogas de

este tipo para el tratamiento de algunas formas de cáncer), la insulina y otros

medicamentos en nanoesferas pueden ser inhalados en lugar de inyectados; existen,

además, promotores del crecimiento de los huesos y soportes para crecimiento de

tejidos (hidroxiapatitas) en los cuales se crean nanoporos que favorecen el crecimiento,

Etc.

El cuidado del ambiente también se beneficia con estos materiales: nanofibras

de alúmina se usan para el tratamiento de agua, se fabrican vidrios autolimpiantes con

revestimientos de TiO2 nanoestructurado y recubrimientos anti-reflectantes, se efectúan

tratamientos foto-catalizados de agua con TiO2 nanocristalino, etc.

También debe destacarse el uso en objetos de consumo para mejorar la calidad

de vida: revestimientos anti-halo y anti-empañado de TiO2 para vidrios y espejos,

nanoarcillas para pelotas y raquetas de tenis, fabricación de textiles repelentes al agua y

a la decoloración, protección de alimentos en envases revestidos con silicatos,

blanqueado de telas, etc.,

En aplicaciones para ingeniería se pueden citar: sílica nanoporosa en base a

aerogeles para aisladores de alta eficiencia, liberación controlada de herbicidas y

pesticidas, fabricación de tamices moleculares, válvulas de encendido obtenidas con

metales y polvos cerámicos nanoestructurados, revestimientos para herramientas de

corte y de erosión, obtención de pigmentos finos, lubricantes y aditivos hidráulicos

(CuMoS2), tintas conductoras con metales en polvo, etc.

El uso de nanomateriales en electrónica registra aplicaciones tales como:

nanopartículas magnéticas para almacenadores de datos de alta densidad, circuitos

electrónicos (por ej. para memorias), dispositivos optoelectrónicos: conectores y

revestimientos conductores que emplean cerámicos dopados con tierras raras, materiales

de contacto y recubrimientos para fibras ópticas de base Si, tecnologías de “displays” de

dispositivos de efecto de campo que usan óxidos conductores, etc.

13-.7 Aplicaciones de nanocerámicos realizadas en el CINSO

Celdas de combustible (CC): son dispositivos electroquímicos que permiten la

conversión de la energía de una reacción química en energía eléctrica (Figura 13.3). En

el caso más sencillo, la reacción que se aprovecha es la de formación de H2O a partir de

H2 (g) y de O2 (g). El mecanismo de conversión de energía en una celda de

combustible es similar al de una batería convencional. Cuando dos reactantes están

separados por un conductor iónico, o sea el electrolito, la reacción se produce a través

de un ión móvil. Simultáneamente, los electrones son forzados a moverse de un

electrodo al otro. Entre los electrodos se desarrolla una diferencia de potencial y la

corriente eléctrica se extrae al circuito externo. Entonces, surge la pregunta: ¿cuál es la

diferencia entre una batería convencional y una celda de combustible? La diferencia

radica en la manera de suministrar los reactantes. Estos en una batería convencional

están contenidos en un envase cerrado y la cantidad está limitada por su volumen. En

cambio, los reactantes en una CC son suministrados desde el exterior y la CC puede ser

operada en forma continua. Los gases tales como el hidrógeno, el metano u otros

hidrocarburos son empleados como combustibles, en tanto que el oxígeno puro o el aire

son empleados como oxidantes.

Figura13 3: Esquemas de celdas de combustible con electrolito (a) conductor por

H+ y (b) conductor por O2-

Las clásicas SOFCs operan a alta temperatura, emplean circonia (ZrO2)

estabilizada en su fase cúbica con 8-12 %molar de itria (Y2O3) como electrolito sólido.

Este material conduce a alta temperatura por vacancias de oxígeno (O2-). La

substitución del Zr4+ por Y3+ produce una carga neta negativa en la red y la condición

de neutralidad se mantiene formando una vacancia de oxígeno. El oxígeno es

transportado por saltos a través de los sitios vacíos (mecanismo de difusión por

vacancias). La concentración de vacancias de oxígeno está determinado por la

concentración del dopante (Y2O3) o sea, que la conductividad iónica aumenta cuando

aumenta la concentración de éste debido al incremento de portadores de carga iónica

(vacancias de oxígeno). Sin embargo, la conductividad iónica disminuye después de

alcanzar un máximo a cierta concentración del dopante, lo que se explica por el

ordenamiento de las vacancias de oxígeno o por la formación de especies combinadas

con el catión En el caso de la ZrO2 dopada con Y2O3, la conductividad máxima se

encuentra alrededor del 10% molar. La resistividad de este electrolito sólido es de

10W.cm- 1 a 1000ºC. Las SOFCs han sido diseñadas para operar a altas temperaturas.

En la Figura 13.4 se observa el diagrama de equilibrio de fases del sistema ZrO2-Y2O3,

los electrolitos sólidos de la SOFCs convencionales están dentro de la fase cúbica (de

tipo fluorita) de alta temperatura (ZrO2 - 8 a12 % molar de Y2O3).

Las ventajas de las SOFCs convencionales pueden resumirse:

sus partes más importantes son cerámicas, · pueden emplearse diferentes

combustibles, incluyendo la utilización directa de hidrocarburos, los electrodos son

bastante resistentes a la contaminación con los combustibles, el reformado del gas se

produce en la misma CC, la resistencia de polarización en los electrodos es pequeña y se

puede extraer una gran densidad de corriente.

Sin embargo, no puede dejar de hacerse notar la desventaja de que, al tener que

operar a muy alta temperatura, se producen daños en los materiales que las componen

debiéndose recurrir a materiales costosos y más sofisticados.

La Figura13.5 muestra un diagrama esquemático de la configuración de una

celda de tipo SOFC. El electrodo sobre el lado del aire es el cátodo en el cual las

moléculas de oxígeno se reducen a iones óxido y se incorporan al electrolito. El otro

electrodo es el ánodo, donde el gas reactante es oxidado por el oxígeno que llega a

través del electrolito. Los electrones son extraídos al circuito externo, desde el cátodo

hacia el ánodo. La combinación de [cátodo/electrolito/ánodo] es lo que se define como

«celda unitaria».

Se verán ahora cuáles son las condiciones requeridas de un buen electrolito

sólido, cuáles son los demás componentes de la celda y sus características. El electrolito

es el material principal de la celda (Figura 13.5) ya sea que se la opere con H2 o con

CH4 como combustible, la diferencia en el potencial de oxígeno en el cual se coloca al

electrolito es amplia (2x10-1 bar a 10-18 bar) y las condiciones que debe cumplir en

este amplio rango a ~ 1000ºC, son:

Alta conductividad iónica (si) la cual debe ser > 0,1 S.cm-1,

Baja conductividad electrónica (se) o sea, se < 10-3si ,

Alta estabilidad química y cristalográfica en condiciones de fabricación y de

operación: el electrolito deberá ser estable frente a los gases a los cuales está

expuesto y a las reacciones con los materiales de electrodo con los cuales está en

contacto.

Figura 13.4: Diagrama de equilibrio de fases del sistema ZrO2-Y2O3 (Ref. 4)

Se ha mencionado que la fase de alta temperatura de la circonia se puede retener

a temperaturas más bajas dopándola con otros óxidos de metales divalentes o trivalentes

(MO o M2O3) en altas concentraciones. Si se la estabiliza con itria ~10-12 %molar

(YSZ: Yttria Stabilized Zirconia) cumple con todas estas condiciones de un buen

electrolito sólido para SOFCs.

Figura13. 5: Esquema de la configuración de una celda de combustible de SOFC.

Sobre el electrodo de aire (cátodo) la molécula de oxígeno se ioniza e incorpora

en el electrolito, debiendo reunir, además las siguientes condiciones:

actividad catalítica para disociar las moléculas de oxígeno,

alta conductividad electrónica,

alta estabilidad química en aire en condiciones de fabricación y operación,

compatibilidad con el material del electrolito.

Las investigaciones en materiales catódicos han conducido a algunos óxidos

perovskitas de tipo ABO3 (LaMnO3, LaCoO3 y LaFeO3) los que presentan alta se a

altas temperaturas cuando se las dopa con metales alcalino térreos en el sitio del La.

También se emplean cobaltitas

El ánodo es el electrodo de combustible en el cual el H2 o el CO se oxidan por el

oxígeno transportado electroquímicamente a través del electrolito. Se cree que el Ni es

el material más promisorio para el ánodo de las SOFCs. Es estable en contacto con la

YSZ y, aunque el NiO se disuelve en pequeña cantidad en la fase cúbica de la YSZ, no

se informan efectos negativos en la reacción de oxidación electroquímica. Uno de los

problemas de este material es su alto coeficiente de expansión térmica respecto del de la

YSZ. Por esta razón, el Ni es empleado como «cermet» (composito metal-cerámico)

mezclándolo con YSZ

Pero el objetivo de las investigaciones del CINSO es obtener celdas de

combustible operables a temperatura intermedia (500-650C) y, para ellas, podría

emplearse como electrolito sólido la fase tetragonal del sistema ZrO2-Y2O3 (Figura

13.4). La fase tetragonal de zirconia dopada con ~3-5 %molar de itria (PSZ: Partially

Stabilized Zirconia o TZP: Tetragonal Zirconia Polycrystals) es también considerada

como buen candidato para electrolito con la ventaja de poseer mejores propiedades

mecánicas que la fase cúbica.

Esta fase es metaestable a temperatura ambiente y sólo se estabiliza cuando su

tamaño de grano es nanocristalino. Por aplicación de tensiones la fase tetragonal se

transforma en la fase monoclínica con malas propiedades conductoras pero, se la ha

podido retener a temperatura ambiente empleando materiales nanoestructurados.

En el CINSO se logró la completa retención de la fase tetragonal de la circonia

en polvos y cerámicos sintetizando materiales nanocristalinos por el método de

combustión-gelificación. Se obtuvieron polvos con 8-12 nm de tamaño de cristalita y

área específica de 10-70 m 2/g. Con estos polvos se prepararon cerámicos de alta

densidad (97- 99%) por sinterizado convencional [9] y polvos homogéneos en

composición de ZrO2-2.8 a 13 %molar Y2O3 por combustión nitrato-citrato,

estudiándose varias formas metaestables de la fase tetragonal: t, t’ y t» y, actualmente,

con técnicas de luz sincrotrón

El método de síntesis de los nanocerámicos, para CC de menor temperatura de

operación, ha sido el de gelificación-combustión, antes mencionado. Cuando las CC

funcionan a temperaturas intermedias se disminuyen la degradación de materiales, las

reacciones en interfaces, el choque térmico, etc., además de ser posible usar materiales

de interconexión de bajo costo. Se requieren, en cambio nuevos materiales para

electrolito y electrodos. Respecto del electrolito: si bien el empleo de la fase tetragonal

de ZrO2-Y2O3 es factible, este material presenta problemas de estabilidad: la si se

degrada durante su operación durante un tiempo prolongado a causa de la humedad. Se

usan, entonces óxidos de base ceria (CeO2 dopada con Sm2O3, Gd2O3 o Y2O3), y

algunas perovskitas de (La;Sr)(Ga,Mg)O3 Los óxidos de base ceria ya se han logrado

nanocristalinos para mejorar su conductividad iónica en borde de grano Estos

electrolitos requieren nuevos materiales para cátodo que permitan favorecer la

reducción del O2 a temperaturas intermedias, como perovskitas de (La;Sr)CoO3 y

(Sm;Sr)CoO3 que resultan compatibles con los mismos, la síntesis de los mismos se

realiza por los métodos de gelificación combustión y “liquid-mix”.

En materiales para ánodo se han logrado cermets de Ni/CeO2 Cu/CeO2 y

NiO/ZrO2-CeO2 constituyendo éste último un nuevo material anódico propuesto por el

CINSO. Previamente, se realizó un intenso estudio del sistema ZrO2-CeO2, teniendo en

cuenta las formas metaestables de la fase tetragonal (t, t’ y t») en polvos nanocristalinos

homogéneos en composición, determinándose los límites en composición t’/t» y t»/c y

estudiándose el efecto de la temperatura de calcinación en la homogeneidad de la

composición Mediante el método de gelificación-combustión nitrato-glicina, se lograron

polvos nanocristalinos con altas áreas específicas (20-65 m 2/g), monofásicos y

homogéneos en composición en todo el rango de composición Se estudió la estabilidad

de la fase tetragonal para composiciones correspondientes al campo t del diagrama de

fases, entre 2 y 15 %molar CeO2 encontrándose la completa retención de la fase

tetragonal para una concentración de CeO2 de 5 % molar o superior Por otra parte, se

verificó la existencia de un tamaño de cristalita crítico para la retención de la fase

tetragonal. El mismo crece con el contenido de CeO2 y es de 30-40 nm para los polvos

con 5 a 8 %molar CeO2. Se estudian las formas metaestables de la fase tetragonal y la

estructura local en el entorno de los átomos de Zr y Ce en polvos nanocristalinos

homogéneos en composición (ZrO2-CeO2) mediante técnicas con luz sincrotrón.

En el CINSO, se han obtenido y evaluado celdas de una cámara que operan en

una mezcla de aire y combustible a diferencia de las celdas de dos cámaras en que cada

electrodo está expuesto a uno de los dos gases y cuya temperatura de operación está

entre 500-600oC. Se notó, por otra parte, un aumento del 27 % en la performance de las

CC al emplear el cermet desarrollado en el CINSO como material anódico Al considerar

la reacción del combustible en el ánodo, surgen otras razones que justifican el uso de

materiales nanocristalinos en las CC propuestas. Como el principal factor limitante para

mejorar la eficiencia de la CC es la oxidación del combustible en el ánodo, se emplean

nuevos materiales que favorezcan esta reacción basados, principalmente, en conductores

mixtos. Si el ánodo es un conductor mixto, la oxidación del combustible no se produce

sólo en los puntos triples [electrolito/ánodo/combustible] sino que se extiende a toda la

superficie del electrodo (Figuras 13.6a y 13.6b). Si el conductor mixto empleado es,

además un material nanocristalino, presentará un área específica alta y la superficie de

contacto [gas/electrodo] será considerablemente mayor. La utilización de materiales

nanocristalinos se justifica en CC de temperatura intermedia ya que en las de alta

temperatura los granos crecerían considerablemente debido a la temperatura de

operación (Figuras 13.7a y 137b).

Figuras 13.6: Oxidación del combustible en el ánodo de la CC (a) reacción en

punto triple (conductor electrónico) y (b) en toda la superficie (conductor mixto)

Figuras 13.7: Oxidación del combustible en la superficie del ánodo (a) material

anódico microcristalino y (b) material anódico nanocristalino

Sensores de Gases: los sensores de gases de óxido metálico semiconductor

(SnO2, ZnO) detectan bajas concentraciones de gases (ppm o aún ppb) en la atmósfera

circundante por la variación de su resistencia (o conductancia). Pueden detectar CO, H2

u otros gases inflamables en aire gracias a los absorbatos de oxígeno (O2, O- y O2-) que

cubren la superficie de los óxidos metálicos. El absorbato O- es el más reactivo con los

gases inflamables en un rango de temperatura entre 300-500oC en el cual operan

usualmente este tipo de sensores. En el caso de los óxidos metálicos de tipo n, la

formación de estos absorbatos crea un espacio de carga sobre la superficie de los granos

del óxido metálico lo que resulta en una capa superficial empobrecida en electrones

debido a la transferencia de electrones de la superficie de los granos a los adsorbatos. El

espesor de esta capa de espacio de carga (L) es una función del grado de recubrimiento

superficial con absorbatos de oxígeno y de la concentración intrínseca de electrones en

el volumen. La resistencia de un sensor de gases de semiconductor n en aire es alta,

debido a que la conducción electrónica encuentra barreras de potencial en cada borde de

grano como puede observarse en la Figura 13.8.

Figura 13.8: Modelo de barreras de potencial para la conducción electrónica en los

bordes de grano

Cuando el sensor se expone a una atmósfera con gases inflamables, a

temperaturas elevadas, los absorbatos de oxígeno se consumen en reacciones

subsecuentes de manera que se establece un estado estacionario más bajo del

recubrimiento superficial con absorbatos. Durante este proceso, los electrones atrapados

por los absorbatos regresan al a los granos de óxido, conduciendo con una disminución

de la altura de la barrera de potencial y produciéndose una disminución de la resistencia.

Veamos ahora cómo se modifica la resistencia y, en consecuencia, la sensibilidad del

sensor respecto del tamaño de grano. La Figura 13.9 muestra los tres modelos

propuestos para el control de la resistencia suponiendo que el sensor está formado por

una cadena de cristalitas, de diámetro D. Si D >> 2L, el control de la resistencia está

dado por los bordes de grano (barreras de potencial) y la resistencia es baja; si D ³ 2L, el

espacio de carga resulta mayor respecto de D y la resistencia es más alta y el proceso

está controlado por los cuellos (señalado con flecha) y, finalmente, si D < 2L, la

resistencia del grano domina a la resistencia de la cadena total y a su vez a la resistencia

del sensor, de manera que la resistencia del sensor es controlada por los mismos granos.

Se puede alcanzar alta sensibilidad empleando materiales nanocristalinos ya que al

disminuir el tamaño de grano se alcanzaría la tercera condición de la Figura 13.9. Estos

sensores pueden resultar inestables por el crecimiento de grano producido por su

funcionamiento durante largo tiempo a temperaturas altas, sin embargo, el dopado con

óxidos metálicos ha demostrado ser efectivo para mantener el diámetro pequeño de las

cristalitas (fundamentalmente, en el caso del SnO2) En el CINSO se han desarrollado

sensores de SnO2 nanocristalino dopados con Al2O3 y con In2O3 para sensar CO(g) y

compuestos orgánicos volátiles, respectivamente y, en ambos casos la sensibilidad

aumentó ~30% cuando el tamaño de cristalita disminuyó de 30nm a 5nm. (Revista

SAM, 2004).

Figura 13.9: Modelos esquemáticos del efecto del tamaño de grano.

13-8. Nanotecnología en los Alimentos

Los que ya utilizan la nanotecnología indican que gracias a esta técnica se puede

realzar el sabor de los alimentos, potenciar cualidades que mejoran la salud, como el

aporte vitamínico. El uso de esta ciencia puede ir más allá. Tiene la capacidad de

mejorar los procesos en la elaboración de los alimentos y su uso varía en función de los

materiales sobre los que se aplica. En las materias primas, por ejemplo, algunas de sus

propiedades funcionales y su eficaz procesamiento en los alimentos se deben a

nanoestructuras como la celulosa o almidón, que determinan procesos tales como la

gelatinización y afectan al valor nutricional de los alimentos.

Otro efecto de la nanotecnología en la industria alimentaria está relacionado con

los materiales en contacto con los alimentos. Actualmente, algunos nanocompuestos son

usados como material de recubrimiento para controlar la difusión de gases y prolongar

el tiempo de conservación de diversos productos. Cada vez se utilizan más productos

basados en la nanotecnología para elaborar materiales de contacto con los alimentos

dotados de propiedades antimicrobianas.

Las actuales investigaciones sobre este tipo de superficies tienen por objeto

conseguir sensores capaces de detectar la contaminación bacteriana y reaccionar contra

ella. En definitiva, y según los expertos, un mayor conocimiento de la naturaleza de las

nanoestructuras presentes en los alimentos permitirá mejorar los criterios de selección

de las materias primas y, por tanto, la calidad e inocuidad de los alimentos. Sin

embargo, aún quedan muchas dudas que resolver y cada caso será diferente.

La nanotecnología promete avanzar más y mejorar en aquellos campos en los

que se aplica, en el ámbito médico, científico, tecnológico y, por supuesto, alimentario,

en el que se busca mejorar la salud de los alimentos y de su embalaje.

Los alimentos son nanoalimentos "cuando se utilizan técnicas o herramientas

nanotecnológicas durante su cultivo, producción, procesado o empaquetado". Esto no

implica alimentos modificados a nivel atómico o producido por nano máquinas. Se trata

de una técnica que permite la utilización, manipulación y exploración de materias a

nivel manométrico; es decir, átomos y moléculas.

Un nanómetro (nm) es un metro dividido en un millón de partes. Para

comprender mejor la escala en la que actúan las nanoparticulas basta decir que el

diámetro de un pelo humano es 100.000 veces más grande que un nanómetro.

Actualmente, un grupo de 15 universidades y empresas reunidas por Kraft Foods

investigan la creación de nanopartículas que contengan aromas, sabores y colorantes

específicos que permitan fabricar alimentos personalizados, es decir, según las

preferencias de quienes los consumen. Existen múltiples aplicaciones para esta ciencia y

una de las más importantes la ejecuta la industria agraria, que busca optimizar el uso del

agua, fertilizantes y productos fitosanitarios que, a su vez, reducirán los riesgos en los

futuros alimentos. También están en desarrollo nanocaptadores para detectar

enfermedades, plagas o falta de agua en las plantas. En definitiva, una ciencia que

empieza ahora a desarrollarse. (Industria Alimentaria UNAS, 2009).

Sin embargo, las últimas investigaciones se empiezan a centrar en las posibles

aplicaciones de la nanotecnología en los alimentos funcionales y los nutracéuticos. "Los

nanomateriales permiten una mejor encapsulación y liberación de los ingredientes

alimentarios activos en comparación con los agentes de encapsulación tradicionales y el

desarrollo de nanoemulsiones, liposomas, micelas, complejos biopolímeros y

cubosomas ha conducido al desarrollo de propiedades mejoradas para la protección de

compuestos bioactivos, sistemas de administración controlados, integración de matrices

alimentarias y enmascaramiento de sabores no deseados. (Nanowerk, 2007).

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