PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

PRIMERA UNIDAD

Ing. Elsa B. González Licona

• La ciencia de materiales es un campo multidisciplinario que estudia conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad.

• Incluye elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y eléctrica o medicina y ciencias ambientales la atención puesta de los medios en la nanociencia y la nanotecnología

• Todos los días usamos muchos objetos como ropa, muebles, libros y herramientas. ¿De qué están hechos? De algodón, madera, papel y diversos tipos de metal. Nuestro planeta Tierra está lleno de distintos materiales, con ellos se construyen útiles y herramientas.

GENERALIDADES

• Hace miles de años se utilizaban pocos materiales: piedra, madera, cuernos y pieles de animales. Más tarde, nuestros antepasados descubrieron cómo usar el algodón, el carbón y el petróleo, que también se encuentra en forma natural en la Tierra. Con el tiempo los seres humanos han aprendido a usar los materiales naturales para fabricar otros nuevos, como vidrio, papel y plásticos.

• clasificación de los materiales • La manera más general de clasificación de los

materiales es la siguiente:• Materiales Puros• Aleaciones Ferrosas • Aleaciones No ferrosos • Orgánicos e Inorgánicos• Materiales Cerámicos

MATERIALES

• Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración, los materiales mas puros son los que se encuentran en la tabla periódica.

• Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra, ya sea de manera alotrópica.

• Los materiales puros se clasifican en: Metales, Metaloides y No Metales.

Materiales Puros

LOS MATERIALES METÁLICOS. Aleaciones

• Una aleación es un material metálico que se obtiene al mezclar , fundir y dejar que solidifique una mezcla de un metal con otros materiales, casi siempre otros metales.

• El producto resultante tiene características metálicas y alguna propiedad que no tenían los componentes por separado.

• El latón, por ejemplo, es una mezcla de cobre y cinc y resulta más duro y con resistencia eléctrica.

Aleaciones Latón

LOS MATERIALES METÁLICOS. Formas comerciales

• Formas comerciales más habituales de materiales metálicos son: • Largos: barras cuadradas o redondas y alambres. • Planos: superficies de diferentes espesores, las más finas se

denominan chapas. • Perfiles: barras con formas especiales: en u, triangular, ... • Lingotes: bloques obtenidos al vaciar metal líquido en un molde.

Largos Planos Perfiles Lingotes

• Metales Ferrosos• Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal

componente es el hierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.

• Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

• Fundición de hierro gris • Hierro maleable • Aceros • Fundición de hierro blanco

• Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ºC y uno de sus principales problemas es la corrosión.

MATERIALES

EL HIERRO Y EL ACERO.

• Es hierro puro en un 99,9 % o más. • Tiene pocas aplicaciones industriales y resulta muy difícil de

obtener. • También se llama hierro forjado por que es muy dúctil y

maleable.• Se emplea en trabajos de forja y para construir electroimanes y

transformadores eléctricos.

Trabajo en forja Electroimán Transformador

EL HIERRO Y EL ACERO.Los aceros

• Los aceros son aleaciones de hierro y de carbono (entre el 0.03% y el 1.76 %) a las que se añaden otros materiales (manganeso, níquel, titanio, etc.) según las propiedades del tipo de acero que se desee lograr. Se aplican en muchos campos industriales. Hay dos tipos de aceros:– Aceros comunes. Hechos sólo con hierro y carbono. Son muy fáciles de soldar y poco resistentes

a la corrosión. Se emplean en estructuras, clavos, tornillos, herramientas, ...– Aceros aleados. Hechos con hierro, carbono y otros elementos. Muy resistentes a la corrosión, al

desgaste y a las altas temperaturas. Se emplean para fabricar instrumentos y piezas especiales.

Acero común Aceros aleados

EL HIERRO Y EL ACERO.Las fundiciones

• Las fundiciones son aleaciones de hierro y carbono (entre el 1.76 y el 6.67 %) . Al tener más carbono resisten mejor la corrosión y los cambios de temperatura. Son fáciles de moldear y se emplean en la fabricación de piezas de gran tamaño. Se clasifican en:– Fundiciones ordinarias. Hechos sólo con hierro y carbono y alguna pequeña parte de otro

material. No se pueden trabajar en la forja.– Fundiciones aleadas. Hechos con hierro, carbono y otros elementos con los cuales mejoran sus

propiedades.

Fabricados con fundición

• Metales no Ferrosos• Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su

resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años.

• Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son: • Aluminio • Cobre • Magnesio • Níquel • Plomo • Titanio • Zinc

• Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).

MATERIALES

MATERIALES METÁLICOS NO FÉRRICOS• Los materiales no férricos son más caros y difíciles de obtener que los férricos, sin embargo

presentan algunas propiedades que los hacen necesarios: son más difíciles de oxidar, conducen mejor la electricidad y el calor, funden a temperaturas más bajas, son más fáciles de mecanizar, etc. Se clasifican en:

– Metales pesados. Su densidad es igual o mayor a 5 Kg./dm3. Entre ellos están el cobre, el plomo, el cinc, el estaño, el níquel, el mercurio, el volframio, etc.

– Metales ligeros. Su densidad es entre 2 y 5 Kg./dm3. Son ejemplos el aluminio y el titanio.– Metales ultraligeros. Con densidad menor de 2 . El magnesio es el más utilizado en la

industria.Metales pesados. zinc, cobre, mercurio, volframio.

Metales ligeros. Aluminio y titanio.

Metales ultraligeros. Magnesio natural y elaborado

MATERIALES METÁLICOS NO FÉRRICOS. El cobre

• El cobre es un metal de color rojo brillante, muy resistente a la corrosión, conduce bien el calor y la electricidad, es muy dúctil y maleable. Se obtiene de minerales como la cuprita, la calcopirita y la malaquita.

• Se ha usado desde la antigüedad para hacer armas, adornos, monedas, etc. Hoy se usa en conductores eléctricos, alambiques, y conducciones de gas y agua, así como otros usos en construcción. Sus aleaciones principales son:– Los bronces. Aleaciones de cobre y estaño, tanto más duras cuanto más estaño contienen.– Los latones. Aleaciones de cobre y cinc usadas para hacer canalizaciones, tornillos, válvulas de

gas y agua, bisagras, etc..

Minerales de cobre. Cuprita, calcopirita y malaquita.

Bronce. Latones. Cobre.

MATERIALES METÁLICOS NO FÉRRICOS. El aluminio

• El aluminio es un metal de color plateado claro, es muy resistente a la oxidación, ligero, buen conductor del calor y la electricidad y fácil de mecanizar. Se obtiene de la bauxita.

• Se emplea en aleaciones ligeras, tan resistentes como el acero y mucho menos pesadas. Con ellas se fabrican productos muy variados, desde latas de refrescos como fuselajes de aviones, ventanas, maquinaria, etc.

Bauxita.

Productos de aluminio.

MATERIALES METÁLICOS NO FÉRRICOS. El estaño

• El estaño es un metal de aspecto blanco brillante, muy resistente al aire, fácil de fundir y de trabajar. Es muy maleable en frío y en caliente se torna quebradizo. Se obtiene de la casiterita.

• Se emplea, aleado con plomo o con plata, para soldadura blanda. También para recubrir el hierro, obteniendo hojalata, y para recubrir el cobre, pues al no ser tóxico puede usarse en instrumentos de alimentación.

Casiterita. Productos de estaño, hojalata y otras aleaciones.

MATERIALES METÁLICOS NO FÉRRICOS. El cinc

• El cinc es un metal blando de color blanco azulado, resistente a la intemperie. Se obtiene de la blenda.

• Se emplea en la fabricación de recipientes, canalones y planchas para cubiertas. También para recubrir planchas de hierro por dos procedimientos:– Cincado. Introduciendo las piezas de hierro en un baño de cinc fundido.– Galvanizado. Recubriendo las piezas de hierro por electrolisis.

Blenda. Nave de cincado.

Chapa de hierro galvanizado.

• Materiales no Metálicos• Materiales de origen orgánico

• Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:

• Plásticos • Productos del petróleo • Madera • Papel • Hule • Piel

• Materiales de origen inorgánico• Son todos aquellos que no proceden de células animales o

vegetal o relacionados con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son:

• Los minerales • El cemento • La cerámica • El vidrio • El grafito (carbón mineral)

MATERIALES

• La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa "quemar". En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos que se forman por acción del calor.

Materiales cerámicos

• Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.

• Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.

• Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material refractario.

• Diboruro de magnesio(MgB2), es un superconductor no convencional.• Óxido de zinc (ZnO), un semiconductor.• Ferrita (Fe3O4) es utilizado en núcleos de transformadores magnéticos y en

núcleos de memorias magnéticas.• Óxido de uranio(UO2), empleado como combustible en reactores nucleares

• Oxido de ytrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura

• Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo

Ejemplos de materiales cerámicos

Nitruro de silicioCarburo de boro

Oxido de zinc.

ferritaesteatita

• Termino de la primera unidad

• Actividades : individuales• 1.- realice un mapa conceptual de la

clasificación de los materiales y sus principales caracteristicas.

• Realice una clasificación de los materiales de acuerdo a su función.

• Actividades por equipo.

• Diseñe los materiales necesarios para transportar una corriente entre dos componentes mediante una extensión eléctrica

• Diseñe un material a partir del cual se pueda producir una taza para café ¿ Qué propiedades en particular hará que se material sea el adecuado?

Piense un poco