Materia I2-I3 (2)

Resumen Propiedades y resistencia de Materiales

El siguiente resumen se basa en las clases del profesor Jorge Ramos y Ciencia de los materiales de Ca-llister.

1. Conceptos sobre el atomo

Z +N = A

A: medido en unidad de masa atomica (u) = 1, 6611027

Na: Numero de avogadro. 6,022 1023

Modelo de BhorCada orbita tiene una energa especifica, en el hidrogeno o atomos hidrogenoides (Tienen solo 1 electron)

E =hcRhz2

n2 E = 13,6z

2

n2[eV ]

Electron libre E 0

Numeros cuanticosn Principal. {1, 2, ...}l Acimutal . Subcapa {0, 1, ..., n 1}ml Magnetico. Orbital {l..,0...l}ms Spin Magnetico. { 12 , 12}

Movimiento de electrones por subcapa

1. Electron que desciende de nivel libera energa. (+ estable)E = Ef Ei = hh: constante de Plank. : frecuencia de la onda. ( = c )

2. Si es promovido de nivel absorbe energa. (= formula)

3. Electron sale con una energa cineticaEk = h 0Las capas externas incompletas contienen electrones de valencia

El radio atomico depende del numero de electrones y del entorno del atomo.

La formacion de un ion modifica el radio atomico

1 Gabriela Bravo Illanes

Valencia y electronegatividad determinan el tipo de enlace que se puede producir entrepares de atomos

1,2,3 ceder electrones enlace ionico o enlace metalico4,5,6,7 compartir electrones enlace covalente5,6,7 captar electrones enlace ionico

La fuerza y energa que sienten 2 atomos aislados. Hay un radio de menor energa, el ra-dio de enlace.

r0: es la distancia de equilibrio.E0: Es la energa de enlace. Representa la energa para separar los atomos una distancia infinita.


2. Enlaces Primarios

Molecula: grupo de atomos unidos entre si por fuertes enlaces primarios.

2.1. Enlaces ionicos

Cationes (+) son atrados por Aniones (-)

Metales (de baja energa de ionizacion tienden a ceder electrones.

No metales (de alta afinidad electronica) tienden a captar electrones.

Pueden participar atomos cargados y/o iones poliatomicos

No son direccionales. Cada partcula cargada ejerce atraccion sobre todas las de carga opuesta que larodean.

La fuerza del enlace ionico depende de la diferencia de carga de los electrones. A mas diferencia masfuerza del enlace.

Algunas propiedades

Porque se requiere mucha energa para mover cargas en una red ionica.La mayora son solidos a t ambienteTienen altos puntos de ebullicion y fusionSu presion de vapor es muy bajaSuelen ser quebradizos

Moleculas polares pueden ejercer atraccion electromagnetica.Muchos son solubles en agua

No hay electrones libres y las cargas estan inmovilizadasNo conducen la electricidad

Baja movilidad de iones.Tienen baja conductividad termica.


2.2. Enlaces covalentes

Nucleos atomicos son atrados por electrones compartidos entre ellos

Regla del octeto: los atomos se enlazan hasta completas los 8 electrones en las subcapas s y p

Puden compartir mas de 2 electrones mediante enlaces pi (dobles o triples)

Se forman preferentemente entre atomos con electronegatividades parecidas.

Son enlaces direccionales. Adoptan angulos dado que se repelen con otros atomos que forman parte dela misma molecula.

Los enlaces covalentes tienen un caracter ionico cuando hay diferencia de electronegatividad en losatomos.

Algunas propiedades

El enlaces es muy firme, hay que movilizar la molecula completa.Sus puntos de fusion, ebullicion y presion de vapor dependen del tamano de la molecula

Puede ser o no polar. Depende de los atomos presentes.Solubilidad depende de la estructura molecular.

Electrones muy adheridos a los atomosBaja conductividad electrica

Enlace fuerte y direccional.Son quebradizos y tienen alto modulo elastico.

2.3. Enlaces metalicos

Los nucleos atomicos (+) estan embebidos en una nube de electrones (-) compartidos.

Electrones deslocalizados

los atomos pueden deslizarse a nuevas pociones porque todos los emplazamientos son equivalentes.Forman solidos maleables y ductiles, la fuerza externa puede deslizar capas de atomos.

Algunas propiedades.

Los electrones actuan como cargas diminutivas que se desplazan libremente.Alto nivel de empaquetamientoLa luz no puede penetrar su superficieBuenos conductores termicos y electricos.

En enlace metalico no difiere de un metal a otro.Son solubles en otros metales

Es un enlace fuerte incluso en estado liquidoAltos puntos de fusion y ebullicion.

El desplazamiento de los atomos no cambia la estructura de enlaceson maleables y ductiles.


3. Enlaces secundarios (fuerzas de Van der Walls)

Ocurren entre moleculas o diferentes partes de la misma molecula.

Suelen pasar desapercibidos con la existencia de enlaces primarios (cualquier tipo), son evidentes engases inertes y moleculas cuyo atomos esten unidos covalentemente.

Incluye interacciones entre Atomos, moleculas y superficies.

Las fuerzas intermoleculares son relativamente debiles. Sin embargo permite formar solidos a partir demoleculas grandes (ejm polimeros)

Son Anisontropicas. La fuerza depende de la orientacion relativa de las moleculas (excepto London)

3.1. Fuerzas intermoleculares se deben a 4 fenomenos

Principio de exclusion (repulsivo)Los orbitales llenos forman volumenes que no se pueden invadir con otros electrones.

Accion electrostatica (repulsiva/atractiva):Entre cargas (iones atomicos o poli-atomicos), dipolos (moleculas polares) y multipolos.

Induccion/polarizacion (atractiva)Dipolo permanente induce dipolo temporal. Molecula polar polariza a una molecula no polar

Dispersion (London)(atractiva)Dipolos atomicos inducidos instantaneamente causado por el movimiento de los electrones.-Esta es la unica atraccion que afecta a moleculas no polares.-A mayor tamano molecular mas atraccion de London. Explica que F2 sea gas, mientras que (otro halogeno)I2 sea solidos.-Aumenta la viscocidad de lquidos y disminuye su presion de vapor.


4. Estructura cristalina y amorfa.

El ordenamiento estructural entre atomos debe obedecer a que la energa total del sistema sea lo masnegativa posible.

Los ordenamientos atomicos presentan ordenamiento a corto alcance pero no necesariamente implicaordenamiento a largo alcance.

Cuando el arreglo atomico se repite periodicamente la estructura presenta ordenamiento de largoalcance. -Debido al ordenamiento regular la densidad alcanza su maximo. -En un Arreglo cristalino elarreglo se repite periodicamente siguiendo un patron tridimensional.

Las entidades que se repiten se describen con las celdas. Las celdas definen la estructura de formageometrica Mallas

Los ordenamientos se pueden describir mediante mallas de Bravais

Existen 2 numeros importantes:Numero de coordinacion (numero de atomos vecinos) y factor de empaquetamiento.

APF =V olumen de atomos en la celda

V olumen de la celda

4.1. Mayas de Bravais

[2D]

1: Red Oblicua. 2: Red Rectangular. 3: Red Rectangular Centrada. 4: Red Hexagonal. 5: Red Cuadrada


[3D]Existen 14 malla de Bravais que se agrupan en 7 sistemas cristalinos. (de menos a mayor simetra)

TriclnicoMonoclnicoOrtorhombicoTetragonalRomboedricoHexagonalCubico

4.2. Estructuras mas comunes

SC. Simple Cubica (Analisis considerando a pto de malla=1 atomo)

APF =1 atomo 43pi(0,5a)

3

a3= 0, 52 a = 2R

-Direccion de empaquetamiento mayor es la arista.-Coordinacion= 6.-1 atomo por celda

BCC. Cubica centrada en el cuerpo

APF =2 atomo 43pi(

a3

4 )3

a3= 0,68 4R = a

3

-Coordinacion=8-Direccion de empaquetamiento mayor es la diagonal del cubo.-2 atomos por celda


FCC. Cubica centrada en la cara

APF =4 atomo 43pi(

a2

4 )3

a3= 0,74 4R = a

2

-Direccion mayor de empaquetamiento es la diagonal de la Cara-Coordinacion=12-4 atomos por celda-Junto con HCP logra la densidad maxima teorica 74,048 %-Estructura caracterstica de los metales

HCP. Hexagonal compacta.

-El plano inferior y superior tienen hexagonos con atomos en los vertices y uno en el centro. Existe unplano en la mitad que provee de 3 atomos adicionales.-6 atomos por celda (1/6 por cada uno en las esquinas, 1/2 por los centrales a los hexagonos y los 3 del planocentral)

ESTRUCTURA ATOMICA= TIPO MALLA+ BASE DE ATOMOS


5. Puntos direcciones y planos en la celda unitaria.

Se establece un sistema de coordenadas x,y,z cuyo origen coincide con el vertice de la celdilla, y lasaristas del paralelepipedo saliendo de estos vertices.

En sistemas cristalinos hexagonal, romboedrico, monoclnico y triclnico los 3 ejes no son perpendicu-lares entre si.

5.1. Puntos

Se representan con una fraccion de la dimension correspondiente a la celda. Se escribe de la forma a,b,c.

5.2. Direcciones Cristalograficas

Como determinar los indices de las direcciones

1. Se traza del origen un vector de longitud conveniente en la direccion deseada. (sino parte en el origen,trasladarlo de manera paralela)

2. Se expresan sus proyecciones en los ejes dejandolo en funcion de las dimensiones de la celdilla.

3. se multiplican o dividen por un factor comun para que sean el menor entero.

4. Los 3 indices Indices de Miller se escriben de la forma [uvw] (Sin espacios)

5. Un ndice negativo se expresa con una linea sobre el ndice

En este ejemplo el vector mide a2 , b, 0c dejandolo en funcion de los lados queda12 , 1, 0 y dejandolo como

el menor entero la direccion es [120]


Familia de DireccionesSon direcciones que tienen la misma caractersticas (el espaciado atomico a lo largo de cada direccion es elmismo). Se representan de la forma , incluye todas las direcciones y todos los sentidos que se puedenformar con esos dgitos.En los cristales cubicos, todas las direcciones que tengan los mismos indices son equivalente

Distancia de repeticionDistancia desde un punto de red al punto de red siguiente a lo largo de una cierta direccion.

Direcciones en Cristales Hexagonales Son descritos por 3 ejes a1, a2, a3 en el plano con 120o entre ellos

y un eje perpendicular z.Las direcciones tienen 4 indices de Miller [uvtw]. Los 3 primeros indices corresponden a las proyecciones enlas direcciones a1, a2, a3


Conversion de sistema de 3 indices [uvw] a uno de 4 [uvtw]

u =n

3(2u v)

v =n

3(2v u)

t = (u+ v)w = nw

Con n el factor para que queden como el menor entero. ejemplo [010] es [1210]


5.3. Planos Cristalograficos

Se especifican mediante 3 indices de Miller (hkl)Como determinar un plano

1. Si el plano pasa por el origen se escoge otro paralelo (planos paralelos son equivalentes) o se cambia elorigen al vertice de otra celda.

2. El plano puede cortar o ser paralelo a los ejes. La longitud del segmento en que lo corta se deja enfuncion de los parametros (hkl). Si no corta un eje vale

3. Se escriben los numeros recprocos a los valores, multiplicandolos por un factor para tener el menorentero. para el hexagonal es analogo, pero el plano es descrito por 4 indices)

Familia de PlanosSe ponen entre { }. Son todas las combinaciones, excepto que los planos negativos no son unicos (ejemplo{110} es el mismo plano que {110}

5.4. Fraccion de empaque

Fraccion lineal de empaqueFraccion en una direccion ocupada por atomos. (dentro de la celda)

Densidad linear (abc) =trozos de atomos en linea

largo de la linea

Factor de empaquetamiento planoFraccion de un plano ocupado por atomos, debe pasar por el centro del atomo para que este se incluya en elplano. Difiere de un plano a otro dentro de una celda unitaria

Densidad planar (abc) =area de atomos por cara

area de la cara

Las densidades lineales y planares tienen importancia para explicar los deslizamientos, que son el funda-mento de los mecanismos de plasticidad de los metales. Los deslizamientos ocurren en la mayora de planosde maximo empaquetamiento y en las direcciones que tienen mayor empaquetamiento atomico.


Densidad

=nA

VcNa

n=numero de atomos asociados a la celdilla. [atomos \ celda]A=peso atomicoVc=Volumen de la celdillaNa=Numero de avogadro.

Planos y direcciones de maximo empaquetamiento

Estructura Direccion PlanoSC NingunoBCC NingunoFCC {111}HCP , o {0001}{0002}

5.5. Estructuras cristalinas compactas

Se generan colocando planos compactos uno sobre otro. Se analiza FCC y HCP que son las de mayorfactor de empaquetamiento.Al poner 3 atomos juntos, se generan trianguloshacia arriba (posicion B) y trianguloshacia bajo (posi-cion C). Llamamos A al plano que pasa por el centro de la capa 1. El siguiente plano puede ir en posicionB o C.En el caso de un HCP, al poner un plano mas, coincide con la pocicion en A. pero el caso FCC la posicionde una tercera capa es distinta, y empieza a repetirse residen en la 4ta capa.

FCC= ABC ABC ABC ...HCP= AB AB AB

5.6. Polimorfismo

Algunos metales y no metales pueden tener mas de una estructura cristalina, si el fenomeno ocurre enun solido elemental, se llama alotropa. Depende de la presion y temperatura exterior. La transformaciona menudo va acompanado de cambio de propiedades fsicas (como la densidad).


6. Sitios instersticiales

Entre los puntos base de la celda, es posible emplazar atomos adicionalesDependen del tipo de estructura

para cada sitio instersticial hay un rango de radios que genera una estructura estable.

No Coordinacion Sitio intersticial Relacion de Radios2 Lineal 0-0.1553 centro de triangulo 0.155-0.2254 Tetraedrico 0.225-0.4146 Octaedrico 0.414-0.7328 Centro de Cubo 0.732-1

En cristales ionicos los aniones poliatomicos se representan mediante poliedros. Pueden conectarse poraristas, caras o vertices.

Teniendo la relacion entre los radios, tenemos el numero de coordinacion y con eso la estructura masprobable.

factor de empaquetamiento Considera ambos atomos (se suma el volumen ocupado por cada tipoal interior de la celda). La relacion entre la arista y los radios se ve segun la direccion donde todos seantangentes.


6.1. Difraccion de rayos X. Determinacion de estructuras cristalinas

Podemos conocer la distancia interatomica en estructuras cristalinasOcurre una interferencia constructiva en los radios desfasados 1 y 2 si la diferencia de recorridos (ejm

SQ+QT equivalgan a un numero entero nde longitud de onda, es decir

n = SQ+QT

n = 2dhklsen

(Ley de Bragg)

La distancia entre dos planos contiguos y paralelos en funcion de los indices de Miller co-mo los parametros de redPor ejemplo para estructuras cristalinas cubicas

dhkl =a

h2 + k2 + l2

Propiedades son anisotropicas en materiales mono-cristalinosLas propiedades fsicas varan segun la direccion.

Propiedades pueden ser isotropicas en materiales poli-cristalinos si los granos se orientanaleatoriamente.


7. Defectos Microestructurales

Pueden ser puntuales, lineales, superficiales y Volumetricos.

7.1. Defectos puntuales

Pueden afectar a mas de un atomos, pero no tienen estructura de repeticion.

VacanciaUn sitio desocupado en un lugar que la estructura debiera contener un atomo. Depende de la temperaturay de la energa libre para la formacion de vacancias. Permite movilidad atomica

nv = nexp(QvRT

)

nv: Numero de vacanciasn: Numero de atomosQv: Energa para producir un mol de vacancias.R: Constante de los gases 8, 311 J/molKT : Temperatura en Kelvin

Adiciones intersticialesSon inclusiones de atomos en sitios de la estructura que no debiera tenerlos. Son impurezas en configuracionesde alta energa, salvo atomos pequenos como el hidrogeno. (es comun en aleaciones)Aumento de los sitios intersticiales ocupados produce aumento de la resistencia de los materiales.


Defecto sustitucionalSitio estructural es ocupado por un atomo distinto al que corresponde en ese lugar. Pueden ser isovalentes(mismo estado de oxidacion) o aliovalentes (distinto estados de oxidacion, genera otros efectos)Si es mas grande genera compresion, si es mas chico traccion.

Defecto topologicoCambia la configuracion de enlaces en un punto de la estructura. Son comunes en estructuras covalentes connano-estructuras de carbono o polimeros


7.2. Defectos Lineales

Alteraciones del orden de la estructura cristalina a lo largo de una dimension.La Dislocacion Es la desalineacion de puntos de la estructura entorno a un defecto lineal. Se diferenciansolo en el tipo de movimiento de las dislocaciones, la deformacion plastica neta es la misma. Pueden moverseen el plano de deslizamiento, y tambien moverse verticalmente cuando hay vacancias.

1. Dislocacion helicoidal (screw)Se debe al desplazamiento en espiral de un plano atomico al cizallar (esfuerzos de corte) el cristal.

la linea de dislocacion se mueve es perpendicular a la direccion de la tension.

l bel vector de Burger sale del plano de la cara, (marca la distancia de lo q se hunde al aplicaresfuerzo de corte)

2. Dislocacion de bordeSe genera cuando un plano de atomos termina al interior del cristal generando un borde. (hay unsemiplano adicional de atomos, este marca la dislocacion.)

hay un plano de atomos extra. La parte superior esta en compresion, la inferior en traccion.

El vector de burger es coplanar al circuito de espaciamientos atomicos.

la linea de dislocacion se mueve en la misma direccion que la cizalladura. (se aplica un esfuerzode corte perpendicular a la linea de dislocacion). El plano extra se une con la parte de abajodel plano de alado, quedando la parte de arriba de ese plano como nuevo plano extraque seunira con el siguiente, etc. (as se va desplazando.)

l bhay un atomo al que le falta un enlace, eso tiene energa positiva, se vuelve menos estable.

3. Dislocacion mixtaTiene una componente de borde y otra helicoidal a lo largo de su linea

Cuando se cruzan ambos tipos de dislocaciones no se afectan entre ellas.

Se pueden interferir las del mismo tipo. Pueden neutralizarse.

a mayor temperatura, el movimiento de las dislocaciones es mayor, por lo que es mas probableque se anulen.


Vector de Burgers (b)Permite completar un circuito de espaciamientos atomicos alrededor del defecto lienal. (un espacio atomico,la distancia depende del tipo de enlace)

Linea de dislocacion (l)lxb genera la normal al plano en que se mueve la dislocacion.

Plano de deslizamientoplano a lo largo del cual se mueve la dislocacion. Es el que tiene la distribucion mas densa de atomos.

Magnitud del desplazamientodebe corresponder a un numero entero de espaciamientos atomicos.

Direccion de desplazamientoVa a ser la direccion mas compacta.

La deformacion de un cristal es por el desplazamiento de una dislocacion por la aplicacion deesfuerzos de corte


Los piquetesSon pequenos agujeros donde las dislocaciones se encuentran en la superficie

Lineas de deslizamientoes la presencia de miles de dislocaciones

Bandas de deslizamientoses agrupacion de las lneas de deslizamiento.

Las dislocations tienen menor movilidad en materiales ceramicos ya que los planos tienen menor com-pactacion (debido a el enlace ionico o covalente)

Cuando se mueve la dislocacion, en material comienza a endurecerse (le es mas difcil deformarse).Fluye hasta alcanzar el max (en este punto las dislocaciones ya no pueden moverse), a mas fuerza, elmaterial comienza a romperse.

Puede haber material ductil que no fluya y se rompa si el esfuerzo de corte no es suficiente para des-plazar los planos. (Si no fluye es fragil, Fragil=romperse)

Durante la deformacion plastica el numero de dislocaciones aumenta mucho. Los limites de grano,como los defectos internos y superficiales actuan como concentradores de tensiones, facilitando as laformacion de dislocaciones durante la deformacion.

7.3. Efecto de las Dislocaciones

Deformacion plasticaDeformacion irreversible o cambio de forma que permanecen aun cuando se deja de aplicar fuerzas.A escala microscopica se debe al movimiento neto de un gran numero de atomos en respuesta a unatension aplicada (se rompen y rearman enlaces interatomicos). En solidos cristalinos la deformacionplastica involucra el movimiento de dislocaciones.

Deformacion elasticaEs completamente recuperada cuando el esfuerzo es removido.

Resistencia y durezaSon medidas de resistencia a la deformacion plastica.

Densidad de dislocacioneslargo total de la linea de dislocacion con centmetro cubico en un material

7.4. Defectos superficiales

Limites o planos que separan un material en regiones. Cada region tiene igual estructura cristalina,pero distinta orientacion.

1. Bordes de granoSuperficie que separa dos cristales en un material polisintetico, los cristales se encuentran orien-tados de distintas maneras, al azar. A menor tamano de granos hay mas resistencia del materialpor que no permite el deslizamiento de las dislocaciones. (Los planos de deslizamiento, de maximacompactacion, estan en distintas orientaciones y el desorden atomico en el borde de grano produceuna discontinuidad)La deformacion total plastica en un material policristalino corresponde a una distorsion en laforma de los granos por deslizamiento. Durante la deformacion nunca se separan los bordes degrano. Para deformar un grano es necesario deformarlo a el y su vecino.


2. Bordes de grano de angulo pequenoLa diferencia de orientacion no es tan drastica, varan en angulos pequenos.Si el angulo es grande puede ocurrir que las dislocaciones no sean capaz de atravesar los limitesde grano durante la deformacion y se acumulan tensiones en el plano de deslizamiento del grano,lo cual puede activar nuevas fuentes de dislocaciones en el limite del grano.

3. Maclas Es un tipo especial de limite de grano en el cual existe una simetria(como poner almismo grano de otra forma) entre el grano y su vecino. Se producen por cizalladuras, que generaneste efecto en el que el borde de grano hace como un especie de espejoEstos limites limita el deslizamiento de las dislocaciones, con lo que aumentan la resistencia delmaterial.


8. Propiedades Masicas

8.1. Densidad

=nA

VcNa

8.2. Densidad real

no incluye espacio entre partculas y poros accesibles

incluye poros internos e inaccesibles

Densidad Real =Masa

Vreal=

Masa

V ol.Total V ol.Huecos =Masa

V ol.Solidos+ V ol.poros internos

8.3. Densidad Aparente

incluye espacio entre partculas, poros internos, accesibles e inaccesibles.

Densidad Aparente =Masa

Vreal=

Masa

V ol.Solidos+ V ol.Poros+ V ol.Huecos entre particulas

8.4. Capacidad de Absorcion de agua

La porosidad accesible determina la capacidad de retener fluidos. Tambien depende de las caractersticasdel fluido.

Condicion SSS (saturado superficialmente seco)todos los poros accesibles contienen agua y la superficie esta seca (en el exterior no hay agua).

La capacidad de absorcion de agua se mide entre la diferencia de masa entre seco (105 oC, ningunagota de agua) y SSS

8.5. Permeabilidad intrnseca: Que un fluido atraviese el solido

No es sinonimo de Difusion, este otro termino se usa cuando moleculas o iones atraviesan un solido

depende del tamano y la interconexion de la porosidad

k = Cd2

C: Factor de Tortuosidad (Interconexion)d: Diametro efectivo de los poros

es independiente de las caractersticas del fluido


9. Propiedades Termicas

9.1. Fuerzas y Energa de enlace

1. Fuerzas de atraccion: Ley de Coulomb

Fa =(Z1e)(Z2e)

4pi0r2=

A

rM

Z1 y Z2 Cargas asociadas a cada ione Carga del electron 1, 6 1019r separacion interatomica0 permeabilidad en el vaco: 8, 85 1012 C2/(N m2)A ConstanteM Constante=2

2. Fuerza de repulsion: resultado experimental

FR = nbrn+1

= Ce2

rN= B

rN

n b constantesr separacion interatomicaN valor empirico

0-7 union de Van del Walls7-10 union metalica (explicara su compactacion)10-12 union covalente, ionica

FR + FA = 0 Me da el radio de equilibrio

a distancias pequenas predomina repulsion

Nunca son iguales las fuerzas de repulsion con las de atraccion, sino la curva de energa seriaplana, y no se da as en la naturaleza.

fmax punto de rotura fragil

analisis teoricos suelen ser a 0 K

Cuando los atomos estan muy separados hay baja conductividad termica

3. Energa de enlaceSe relaciona con la aplicacion de la fuerza de enlace sobre una distancia determinada. (integral va del


radio que tiene al infinito pues en infinito la energa es 0. osea toma la distancia de Ur)

U =

r

FN dr

Energa de Atraccion

UA = A(M 1)rM1 =

a

rm

Energa de Repulsion

UB =B

(N 1)rN1 =b

rn

En equilibrio el sistema logra la menor energa de enlace

La energa es 0 en el y en un punto de compresion.La formacion de enlaces libera energa, la rotura requiere

Los enlaces mas fuertes son los ionicos, luego los covalentes, seguido por los metalicos.

9.2. Aplicacion de energa calorica

Al alterar la temperatura (energa calorica) se altera el espaciamiento atomico, que tiene posicionesdiscretas posibles. (atomos comienzan a vibrar)Tendra dos valores posibles de radio, se considera como espacio interatomic el promedio.


9.3. Expansion y contraccion Termica

Se debe al cambio de espaciamiento atomico al cambiar la temperatura. (se debe a la asimetra de lacurva en el pozode la energa potencialCoeficiente de expansion termica

l =(L)/(T )

Lv =

(V )/(T )

V

En materiales isotropicos v = 3l

A mayor energa de enlace interaromico, mas estrecho y profundo el es pozode energa potencial.Tendra un valor de menor

A menor curvatura (enlace mas debil), un cambio de temperatura genera un R mas grande. Es decirEl enlace atomico determina el coeficiente de expansion termica.

Cuando la temperatura aumenta pero la zona de la curva es simetrica entorno a r0, no hay expansion(Sucede en materiales con fuerte energa de enlace)

En un ceramico se expande casi altiro por tener baja energa de enlace, pequena curvatura.

Si hay expansion termica cambia el volumen, por ende la densidad.

La expansion termina disminuye el empaquetamiento, lo que aumenta la movilidad de los atomos.

Cuando pasa a lquido, se ha aumentado demasiado el numero de vacancias (mucho espacio entreatomos).

El coeficiente de expansion termica y el punto de fusion estan relacionados.

9.4. Calor especifico

Representa cuanto calor es necesario intercambiar para modificar la temperatura y depende principal-mente de la masa. (unidades: J/(kg k)

C =Q

m TQ Calor agregado o retiradom masa

Energa de los electrones de valencia a una determinada temperatura

E = 3 k T Nak Constante de BoltzmanT Temperatura en kelvinNA Numero de avogadro

Calor especifico en terminos molares

C =

T(3 k T Na) = 24, 94 J/(mol K)

Expresar al calor especifico a partir de la energa de los electrones de valencia es cercana a la LeyDoulon-Petit(cv es aproximadamente constante a temperatura ambiente.)

A bajas temperaturas la ley Doulon-Petit pierde validez y aplica aproximacion Einstein-Bose (osci-lador armonico)

E =3 h u Naehu/kt 1 C =

E

T


Estas vibraciones se denominas fononos.1. Estos son capaces de capturar la energa del material.

9.5. Capacidad calorica

A presion constante.Q = mcpT

9.6. Conductividad Termica

Depende de su configuracion atomica. Representa la habilidad de un material para conducir calor.

Q

t= k A T

x

t TiempoA Area.x DistanciaT temperatura.ccalor especifico

Depende de la energa presente (velocidad de las partculas). Mayor energa implica mayor velocidadde las partculas, mayor conductividad.

k =n v c

3 NAc calor especificon partculas por volumen (fonones y/o electrones)v velocidad promedio de la particula camino libre promedio: distancia por donde el fonon puede viajar sin chocar con otro atomo

Gracias al calor los fonones pueden viajar. No pueden superar la velocidad del sonido en el material.

debera aumentar al aumentar la temperatura.

los gases son malos conductores por que c y n son pequeno, y prima sobre grande

El tipo de enlace determina el tipo de conduccion electrica

1. En ionicos y covalentes la conduccion termica se produce por transmision de vibracion de losatomos/iones. (los cuales no son muy efectivos, por lo que se consideran aislantes termicos)

2. En los metales aparte de los fonones, los electrones acarrean calor.

3. En los metales puros el transporte de calor por electrones es mas eficiente ya que logran unamayor velocidad que un fonon y los fonones chocan mas con impurezas

4. La porosidad de ceramicos produce a una disminucion de la conductividad termica.

5. En polmeros un material con estructura ordenada tiene mayor conductividad que uno amorfo.Esto se debe a la vibracion coordinada mas efectiva de las cadenas de moleculas en un solidocristalino.

1Un fonon, es una cuasipartcula o modo cuantizado de vibracion que tiene lugar en redes cristalinas como la red atomicade un solido. Cuanto de energa vibracional


10. Propiedades electricas

10.1. Conceptos claves

Ley de OHMV = IR voltios[J/C] = amperios[C/s] ohmios[V/A]

Resistividad

=RA

l[Omegam]

l distancia entre la que se miden 2 voltajesA es el area de la seccion perpendicular a la direccion de la corriente

La conductividad electrica es el inverso de la resistividad.

10.2. Conductividad electrica

Representa la habilidad para un material de conducir la corriente electrica. La conductividad electricade un material depende de su configuracion atomica

=J

E

J=Densidad de corrienteE= Potencia de voltaje (o intensidad del campo electrico) E = V/l

Una corriente electrica es el resultado del movimiento de partculas eclecticamente cargadas(electroneso iones) en respuestas a fuerzas que actuan sobre ellas debido a la accion de un campo electricoexternamente aplicado. Las positivas van en direccion del campo, las negativas en el sentido contrario.

Los electrones libres son los que participan en la conduccion.

Depende de la energa presente (velocidad de las partculas)

=n e2 m v

Mayor energa implica mayor velocidad de las partculas, menos conductividad electrica.

Depende de la temperaturaEsto permite que la temperatura se pueda medir a partir de la conductividad resistividad electrica.

t =t

1 + (T T )t Conductividad electrica a temperatura de referencia pendiente de compensacion por temperaturaT temperatura de interes.

El tipo de enlace determina el tipo de conduccion electrica

1. En ionicos y covalentes es muy difcil ya que se produce por medio de dipolos (no se muevenelectrones pues estan fuertemente localizados). Los iones son capaces de moverse pues al poseercarga electrica los afecta un campo.

2. En materiales metalicos, la conduccion electrica se produce por movimiento de electrones. (elec-trones libres). Los defectos cristalinos actuan como centro de dispersion de los electrones deconduccion, aumentan la resistividad (menos ). La deformacion plastica tambien aumenta laresistividad como resultado del aumento del numero de dislocaciones que provocan dispersion deelectrones. (disipacion de electrones=perdida de energa)


3. Para la excitacion de los electrones en los metales se requiere muy poca energa, de manera quese origina un gran numero de electrones libres. Para excitar electrones de semiconductores yaisladores son muchos mayores, lo cual explica la baja concentracion de electrones y bajos valoresde conductividad.

4. En metales aumenta la resistividad con la temperatura, el contenido de impurezas y la deformacionplastica.

5. en semiconductores (covalentes) puede aumentar la conductividad con la adicion de impurezas, alaumentar la temperatura

11. Otros

La Curvatura es proporcional al modulo de elasticidad.

E =dFRdr d

2U

dr2 E

(K = 1/, k =curvatura, =radio de curvatura)

11.1. Comparar materiales

Un material con mayor curvatura, tiene mayor modulo de elasticidad. Tambien tiene alta cohesion. Sedeforma poco al aplicar una fuerza.

un material con mayor curvatura tiene un enlace mas debil.

Un material con el mnimo menor, es mas estable y su enlace es mas fuerte.

el enlace mas debil mas se expande.


12. Propiedades mecanicas.

12.1. Conceptos de tension y deformacion unitaria

CompresionDisminuye el distanciamiento interatomico/intermolecular. (En curva de energa de r0 a un valor menor)

TraccionAumenta el distanciamiento interatomico/intermolecular

Esfuerzos de corte o cizalle Aumenta el distanciamiento interatomico/intermolecular en una direc-cion y lo reducen en otra.

Esfuerzos de flexion Aumenta el distanciamiento interatomico/intermolecular en una direccion y loreducen en otra.

Esfuerzos de torsion Aumenta el distanciamiento interatomico/intermolecular en una direccion y loreducen en otra. Corte puro es equivalente en deformacion que el par que genera el torque.

Fragil o ductil

La respuesta de un mismo material depende del tipo de solicitacion aplicada, velocidad de carga y lascondiciones ambientales (temperatura y humedad) a las que se encuentra.


12.2. Tipos de Solicitacion

Tension

=F

A

F : FuerzaA: Area seccion transversal

Resistencia: tension maximaA veces coincide con el punto de fractura.

max =PmaxA

Deformacion unitaria

=L

L

Esfuerzo de corteCarga tangencial a la superficie. Las deformaciones asociadas al corte no alteran las dimensionestotales del elemento, pero si su forma.

=V

A

V : Fuerza de corteA: Area transversal.

Curva tension-deformacion Respuesta ingenierilConsidera el Area original

Curva tension-deformacion Respuesta RealConsidera el area de cada momento del ensayo para calcular la tension. (nunca decae)

TenacidadArea bajo la curva. Energa necesaria para romperlo.

Estado plano de tensionessolo hay componentes en los sentidos x e y. Estado tensional del elemento queda determinado porx, y, xy

12.2.1. Circulo de Mohr

Del eje horizontal se traza una vertical hacia abajo si xy es positivo, hacia arriba si es negativo. Secalcula el centro y el radio del circulo. Cada giro de la figura se realiza en el mismo sentido si se ha dibujadoel circulo de esta forma.


Centro = (x + y

2, 0)

Radio =

(x y

2)2 + 2xy

Tensiones principales, angulo rotacion antihormone con los ejes principales

1 = C +R 2 = C R 2 = tan1( xy(x y)/2)

Esfuerzo de corte maximomax = R

Tensiones en un giro antihorario a partir de los ejes x e y

x = C +Rcos(2 2) y = C Rcos(2 2) xy = sen(2 2)

12.3. Comportamiento elastico

Modulo de Elasticidad o de Young

Pendiente en la zona elastica (en la que la deformacion es instantanea y reversible). No es nece-sariamente lineal. Solo debe volver al origen si se deja de aplicar tension.

Coincide con la tangente a la cura Fuerza-separacion atomica en el punto de r0 (La fuerza delenlace atomico determina el modulo de elasticidad)


A mas modulo elastico menos deformacion. Modulo elastico de mayor a manor: metales, ceramicos, polmeros. El modulo elastico cambia con la temperatura. va disminuyendo pues empieza a aparecer liqui-

do, pierde cohecion. (A mas temperatura, mayor radio, si nos desplazamos en la curva de fuerza,esta disminuye su pendiente)

El modulo elastico determina la velocidad del sonido en el material.

el modulo de elasticidad varia con la tension aplicada.

Modulo de PoissonExiste solo en la zona elastica.

= laterallongitudinal


Modulo de corte (G)

= G G =E

2 (1 + )Modulo de resilienciaArea bajo la zona elastica (Capacidad del material para absorber Energa durante la deformacionelastica)

Isotropicos / Ortotropico / Homogeneo-Homogeneo Misma composicion y por ende misma propiedades en todos sus puntos.-Isotropico Mismas propiedades en todas sus direcciones, de lo contrario es anisotropico. Si laanisotropa es en ejes ortogonales es ortotropico

12.4. Comportamiento visco-elastico

Todos los materiales tienen este tipo de comportamiento.

12.4.1. Elasticidad y viscocidad

Es la capacidad de un material para deformarse de manera elastica y por flujo viscoso al aplicarle unesfuerzo.

Deformacion elastica(t) = E(t)

Deformacion viscosa

(t) = d(t)

dt

En los fenomenos de elasticidad, la deformacion no depende del tiempo.

12.4.2. Reologa y Viscocidad.

La reologa estudia las deformaciones (dependientes del tiempo) y el flujo de la materia baja la influenciade tensiones.

Ley de viscocidad de Newton

= dV

dy

si = 0 Es un fluido ideal Fluidos plasticos o de Bingham

= 0 + dV

dy

Fluidos no newtoneanos = k (dV

dy)n

Con k ndice de consistencia, n ndice de comportamiento del flujo.n < 1 pseudo-plastico, n > 1dilatante.

En los fenomenos de viscocidad, la deformacion depende del tiempo.


12.4.3. Elasticidad en materiales compuestos.

Modelos para estimar sus propiedades elasticasPara fibras continuas y alineadas se usan los dos primeros. Las mejores propiedades de los materiales com-puestos se consiguen com una distribucion uniforme de las fibras.


Modelo en paralelo o de VoigtCarga longitudinal, a lo largo de la fibra.

deformacion uniformeA = 1A+ 2A

Compatibilidad geometrica = 1 = 2

Fuerza deformacion Elasticidad, con ci Fraccion volumetrica

E = E1c1 + E2c2

= E

Modelo en serie o de ReussCarga transversal. Perpendicular a la fibra. (sobre = area perpendicular, distinto largo profundidad,V = LiA)

tension uniformeA = 1A = 2A

Compatibilidad geometrica = 1 + 2

Fuerza deformacion Elasticidad, con ci Fraccion volumetrica

1

E=

c1E1

+c2E2

Modelo de Hirsch

1

E= (1 x)( c

E2+

1 cE1

) + x(1

cE2 + (1 c)E1 )

Modelo de Counto

1

E=

1c2E1

+1

(1c2

c2)E1 + E2

Modelo de Hansen

E =c1E1 + (1 + c2)E2(1 + c2)E1 + c1E2

E1


12.4.4. Materiales visco-elasticos compuestos. Modelos reologicos

1. Modelo de Maxwell Resorte+Amortiguador en serie.

E(t) = (t) = (t)

(t) = E(t) + (t)

E(t) = EE(t)d(t)

dt=

(t) =

E+

2. Modelo de Kelvin-Voigt Resorte+Amortiguador en Paralelo.

(t) = E(t) + (t)

(t) = E(t) = (t)

E(t) = EE(t)d(t)

dt=

(t) = E(t) +

3. Modelo del Solido estandar Combina ambos anteriores.

(t) = 1(t) + 2(t)

(t) = 1(t) + 2(t)

E(t) = EE(t)d(t)

dt=

(t) =(t)

E1+

(t)

(E2 + t )

E1(t) + E1E2(t) = (t) + (E1E2)(t)


4. Comportamientos Si se mantiene una fuerza constante en el resorte se mantiene la deformacionque se da a esa fuerza segun = E (resorte pone cota en deformacion). Igualmente si se mantieneuna deformacion, hay que mantener un esfuerzo constante. En los amortiguadores, si se mantiene unafuerza constante, lentamente el amortiguador va sediento (evita cambios bruscos en deformacion). Si sequisiera generar una deformacion instantanea que perdurara en el tiempo, se requiere aplicar una fuerzainfinita la amortiguador (lo cual no tiene sentido fsico). Cuando hay un resorte y un amortiguador, elresorte puede responder a cambios bruscos y el amortiguador va amortiguando la carga con el paso deltiempo.

Relajacion en comportamientos como el del Maxwell es peligrosa pues es una disminucion del aprete

Los metales no son susceptibles al tiempo por su fuerte enlace.

en sistemas resorte+amortiguador en paralelo, el sistema es asintotico a la deformacion del resorte /E

en un sistema resorte+amortiguador serie. Al soltar la carga, el resorte vuelve a su estado original y elamortiguador queda deformado. si esta en paralelo, el resorte y todo el sistema, vuelve a 0 deformacion,pero lentamente.


12.5. Comportamiento plastico.

Es aquella que causa un cambio permanente en la forma del material.

Asociada a movimiento relativo entre atomos y moleculas, los cuales pueden ser :

movimiento y propagacion de dislocaciones Comienzan a ocurrir a niveles de tensionesmucho menores a la resistencia del material, permitiendo a los atomos deslizar entre ellos.Las dislocaciones tienen una direccion preferida en un grano, lo cual resulta en deslizamientosparalelos en el plano del grano.

reacomodamiento de moleculasOcurre solo en intensidades de tension mayor a la tension de fluencia.

La deformacion plastica es una manifestacion de absorcion de energa por parte del material

La descarga ocurre de manera elastica (con la misma pendiente de carga)

Los materiales cuya deformacion plastica es mayor que la elastica se llaman Ductiles, en caso contrariose denominan fragiles. Los primeros al descargarse quedan con elongacion permanente, los segundoscon agrietamiento y rotura.

12.5.1. Criterios de Fluencia

Permite determinar los esfuerzos admisibles en estructuras o maquinasEl criterio de tresca es mas conservador al predecir como plasticas algunas zonas que para von misses sonelasticas.

1. Criterio de Von Misses

(1 2)2 + (1 3)2 + (2 3)2 = 22Y


2. Criterio de Tresca

max =Y2

Mientras mas diferencia se presenten entre las cargas principales minima y maxima (circulo mas grande),para una determinada carga y un mismo material. menos podra resistir. un estado de tensiones cuyo circuloe sun punto, nunca fluye.El espesor de un material puede hacer que un material ductil se comporte como fragil.

12.5.2. Fluencia en materiales

Metales-La fluencia en los metales ocurre por el desplazamiento de las dislocaciones-Si las dislocaciones no pueden desplazarse se fragilizan. (Traccion demasiado rapida). Tambien al bajarla temperatura las dislocaciones se mueven menos, se fragilizan.-Al desplazar dislocaciones se van generando mas dislocaciones, y empieza a costar mas moverlas. Elmaterial se endurece.-Cuando se estacan las dislocaciones se rompe.

Polmeros-la fluencia en los polmeros es por el deserrollamiento de las cadenas. se van rompiendo las unionesvander waals. Desenrrollarlas disminuye su entropa, se requieren fuerzas (aumenta la energa). Cuandoestan alineadas se rompen.-Sometidos a aplicaciones prolongadas pueden alcanzar mayores deformaciones.

En general-Vacancias hace que haya mas movimiento de las dislocaciones.-Superplasticidad a grano muy pequeno.-Las dislocaciones se mueven por esfuerzos de corte, si el circulo de morh es pequeno el material es masfragil. Si max = 0 es imposible que fluya.-El modulo de elasticidad es una propiedad fundamental de los electrones-Si el vector de Burger es muy grande, se necesita gran energa para desplazar las dislocaciones.

12.5.3. Ductilidad

Deformacion plastica es mucho mayor que la elastica antes de la rotura.

La conducta no depende solo del tipo de material, sino tambien de la temperatura.

se puede calcular mediante las siguientes formulas

D1 =Lf L0L0

D2 = rotura + elastico = plastico D3 =pe

D4 =A0 AfA0

100

el material mas ductil, es tambien el mas tenaz. el que puede disipar mas energa.

12.6. Fallas por Fractura y Fatiga

La rotura interna se produce por agrandamiento de fisuras internas, es decir, los materiales se rompencon un limite de deformacion y no de tension.


12.6.1. Grietas

Donde comienza la falla son lugares de concentracion de tensiones (m). A menor radio de curvaturaen el extremo de la fisura, mayor es la concentracion de tensiones y mas rapida es la falla. Para frenar unagrieta se puede hacer un hoyo sobre ella, ya que este redistribuye las tensiones.

m = 0

a f( aW

)

la concentracion de tension es mayor en grietas largas con un radio de curvatura pequeno en su punta.

puede alcanzar la fluencia en estas zonas de concentracion.

Las deformaciones plasticas provocan un alivio de tensiones en el extremo de fisuras. (Esto produceque los metales resistan mas que un ceramico, pues este ultimo no puede deformarse plasticamente).Por eso los materiales ductiles se dicen que son estables mientras que los fragiles inestables.

Como en materiales fragiles, no hay deformacion plastica se someten a ensayos de compresion, en estosensayos las grietas no avanzan y el material se rompe por colapso del material.

La energa elastica es la que se va en la grieta. Mientras mas grande el objeto, mas energa elastica.

La fractura se detiene cuando toda la energa elastica se ha disipado.

12.6.2. Fractura

La fractura Es la separacion del cuerpo en 2 o mas piezas en respuesta a una tension estatica, atemperaturas lejanas a la fusion

puede ser ductil o fragil. En la Fractura ductil Hay mucha deformacion en la vecindad de la grietaque avanza. (Grieta estable). En la fragil la propagacion es rapida, casi perpendicular ala direccion dela tension, sin necesidad de haber aumento de la tension aplicada.

Existen 3 formas de propagar la grieta

Las tensiones se concentran por defectos macroscopicos o microscopicos.

Puede ser fractura por descohecion o transgranular en la que la grieta se propaga rompiendoenlaces (como sucede en materiales fragiles cristalinos), o puede ser fractura intergranular queocurren a lo largo del borde del grano (como algunas aleaciones)


Tenacidad a la FracturaIndica cuantitativamente la resistencia de un material a presentar fractura fragil cuando esta presentauna grieta.

Temperatura de transicionEs la temperatura a la cual un material cambia de comportamiento ductil a fragil. (a menor temperaturamas posibilidad de ser fragil). El material se debe usar sobre dicha temperatura para evitar fallacatastrofica.No todas las aleaciones presentan esta transicion (por ejemplo las FCC siguen siendo ductiles a bajastemperaturas, no asi BCC y HC)

12.6.3. Fatiga

Es un deterioro progresivo del material hasta una rotura total o parcial bajo el efecto de tensionesalternadas o repetidas.

las tensiones que un material puede soportar por cargas cclicas son mucho menores a las que pudesoportar bajo cargas estaticas. (por eso analizar la resistencia a traccion para materiales sometidos acargas cclicas es solo una gua)

En cada ciclo se va agrandando un poco la grieta.

Mientras mas grande la amplitud de cargas, mas se afecta el material.

Limite de fatigaHay materiales que tienen un nivel maximo de tensiones en el cual jamas ocurrira fallas por fatiga.

generalmente los materiales tienen curvas que muestran los ciclos que pueden resistir dada una tension(Resistencia a la fatiga). Genialmente se entrega el valor a las 107 ciclos.

Proceso de desarrollo de la fatiga

1. Sufre un dano estructural con cada ciclo de aplicacion de cargas, generalmente en un pronto deconcentracion de tensiones.

2. Formacion de una pequena grieta o falla submicroscopicadebido a la reduccion gradual de laductilidad en areas endurecidas por la deformacion.

3. concentracion de las tensiones por efecto de las fallas submicroscopicas. La tension en la puntade la grieta es mayor que en cualquier otra parte del material.

4. se produce una fractura completa por propagacion de fallas submicroscopicas. (esta etapa de-pende de la fragilidad del material)


el origen de la fatiga es en las superficies donde la flexion o traccion generan tensiones maximas odonde las irregularidades provocan concentracion

las grietas avanzan lentamente por las Lneas de playa

Resistencia a la fatigaSe ve afectada por el Numero de ciclos, magnitud de carga y forma de carga ademas del tipodel material, diseno, fabricacion, montaje y operacion.

12.7. Ensayos mecanicos

La maquina con que se realizan los ensayos de traccion puede afectar en las medidas de la deformacionsi se toma en cuenta el puente y no un valor obtenido mediante deformometro si posee un moduloelastico similar al del material.

Cuando la curva decae es por que se aplica igual fuerza en una zona con menor volumen. En esta etapase empiezan a romper de a poco los enlaces interaromico (metales).

Ensayo de CharpyMide la energa absorbida (energa potencial) pro el material mediante el impacto de un pendulo. Estopermite saber que tan resistente es el material, a mayor, mas ductil y tenaz..

El lmite elastico se determina como la tension para on 0,2 % de deformacion plastica a partir delcomportamiento de la curva tension deformacion.


13. Clase de Materiales

13.1. Metales

El enlace metalico determina en gran medida sus propiedades fsicas y mecanicas

Ordenamiento compacto implica alta densidad Enlace no direccional permite movimientos interaromico sin distorsionar la estructura del enlace.

(Alta ductilidad)Recodar que para mover una dislocacion se usan fuerzas de corte, las cuales son proporcionales aG y ||~b||. Al no ser direccional ||~b|| es pequeno (necesita pequenos esfuerzos de corte para fluir) alta movilidad electronica permite buena conductividad electrica y termica. Su capacidad para deformarse plasticamente depende de las capacidad de las dislocaciones para

moverse. Puesto que la dureza y resistencia estan relacionadas con la facilidad con que la deforma-cion plastica empieza a ocurrir, para aumentarlas se restringe el movimiento de las dislocacionesse sacrifica ductilidad.

tienden a presentar estructuras cristalinas

en general son cristalinos. En el caso de los amorfos, las dislocaciones no pueden moverse por que nohay planos cristalinos, por lo tanto no son ductiles.

el enlace metalico permite con facilidad crear aleaciones, materiales con propiedades controladas. Larpartculas agregadas en la aleacion, suelen llenar los espacios interticiales y generar dificultad paradesplazar las dislocaciones, lo que aumenta la resistencia, dureza y disminuye la ductilidad.

Al contaminarse los metales, son las estables debido al aumento de entropa.

poseen baja porosidad.

Diagrama de fasesAl tener una aleacion de metales y estos tener distintos puntos de fusion, a distintas temperaturaspueden tener solubilidad limitada (hay precipitacion de algun componente) o ser ilimitada.

13.1.1. Algunos metales

Aleaciones Ferreas


su principal componente es el hierro La principal es el acero (+carbono). El carbono ocupa espacios intersticial dificultades el movi-

miento de disloaciones-Resistencia y dureza aumenta con el contenido de carbono-Ductilidad disminuye con el contenido de carbono-Solubilidad disminuye con el contenido de carbono

Partes del acero son Ferrita (hierro con muy poco carbono, Ductil) y Cementita (Fragil, por sucontenido de carbono entrega dureza, lo que son zonas donde cuesta propagar la grieta)

Aluminio

Conduce mas que el acero posee alta resistencia a la corrosion

13.1.2. Factores que afectan las propiedades mecanicas de los metales

El tamano de granoEl movimiento de las dislocaciones ocurre al interior del grano. La frontera del grano limita el movi-miento de las dislocacionesAchicar el tamano de grano aumenta la ductilidad, en este caso el cizalle hace que los granos fluyan, seanclan menos por ser mas pequenos. (el movimiento de las dislocaciones al interior del grano solo generaque al llegar al borde de grano esta haga presion en el grano contiguo generando el desplazamiento delos granos).Ademas cuando se achica el tamano de grano aumenta el punto de fluencia por la dificultad de moverdislocaciones, hay mas dureza.

Endurecimiento por deformacionAgota el movimiento de las dislocaciones desplazando el limite elastico. (si se quita la carga el limiteelastico es otro para una nueva carga, mayor ). La deformacion hace que las dislocaciones queden mascerca una de otras, si se repelen, restringe el movimiento posible de estas.

Endurecimiento por disolucion solidaSe forman aleaciones con impurezas. estos atomos producen una deformacion en la red del solvente.al interactuar con el campo de deformaciones de las dislocaciones, dificultan su movimiento (ejercentraccion y compresion donde la dislocacion tenda a hacer lo contrario, por lo que reduce la energa dedeformacion total. Ejm atomo pequeno genera tensiones alrededor de el y se genera en la zona que elplano extra en la dislocacion de cuna genera compresion)

13.1.3. Tecnicas de conformacion metalica


-El hechurado es mediante deformaciones plasticas-Moldeo es virtiendo el metal en estado liquido en un molde-pulvimetalurgia: lo hacen polvo y luego compactan termicamente-Soldadura: Se consige formar enlaces. Unen 2 o mas piezas metalicas.

13.2. Ceramicos

Formado por compuestos metalicos y no metalicos, que originan materiales inorganicos, cuyas propie-dades se obtienen despues de un tratamiento denominado coccion

Sus enlaces pueden ser ionicos o covalentes.

Enlace ionico

no direccional, permite ordenamientos mas compactos baja movilidad electronica implicaba baja conductividad electrica y termica. Resistencia (fuerza de enlace) aumenta con el numero de electrones intercambiados. la estructura cristalina esta determinada por la magnitud de la carga y el radio de cada clase de

ion.

Enlace covalente

union direccional, restringe la configuracion microstructural. Admite atomos de distintos elementos (gran variedad de materiales) baja movilidad electronica implicaba baja conductividad electrica y termica.

puede estar en estado cristalino o no critalino.

Resistencia a compresion y traccion-Por su naturaleza ionica y covalente presentan un comportamiento fragil. Esto permite la concentracionde tensiones (no se pierde tension en deformacion plastica) y propagacion de grietas y fractura.En compresion no existe concentracion de tensiones. Por lo que resisten mas a compresion que atraccion. (en compresion se acerca mas a los valores de rotura teoricos.)

Resistencia a altas temperaturasLos ceramicos refractarios resisten altas temperaturas sin fundir o descomponerse. (mayores que me-tales)

FragilidadUna de sus grandes desventajas, fractura catastrofica con muy poca absorcion de energa.Se debe el limitado numero de sistemas de deslizamiento microestructural debido a la fuerza y direc-cionalidad de sus enlaces (gran vector de burger). La formacion y propagacion de grietas a traves dela seccion de un material perpendicular a la carga aplicada.Las grietas crecen a traves de los granos y a lo largo de determinados planos cristalinos.Cualquier deformacion plastica (en ceramicas cristalinas)que tuvieran seria por desplazamiento de dis-locaciones. En las no cristalinas es flujo viscoso.

13.2.1. Algunos ceramicos

Silicatos -Compuestos principalmente por silicio y oxgeno.-incluye casi todas las rocas, limos y arcilla.

Aluminatos -Compuestos principalmente por aluminio y oxgeno.-incluye la mayora de arcillas.

Carburo de silicio


Diamante -Es una de las formas polimorfas del carbono-Tiene una estructura cristalina regular a largo alcance en la que cada atomo de carbono esta enlazadocovalentemente con otros cuatro atomos de carbono.-Es el material mas duro conocido-Posee baja conductividad electrica y alta termica (a mas rgido, mas modulo de elasticidad, conducenmejor los fonones).

Grafito -Polimorfo del carbono-Compuesto por capaz de atomos de carbono dispuestos hexagonalmente. Entre hexagonos se unen conenlaces Van deer Walls.-Posee bajo coeficiente de dilatacion termica-Alta conductividad electrica (hay electrones libres) y termica

Vidrio Silicatos no cristalinos.-Por debajo de la temperatura de transicion vitrina Tg el vidrio es un solido vtreo y quebradizo, porenesima de esa temperatura se ablanda y adquiere un aspecto gomoso.

Ceramicos complejos Los cristales ceramicos son mas complejos de hacer que los metalicos ya queincorporan 2 elementos.La estructura cristalina esta determinada por la cantidad de iones enlazados (depende de las valencias,para mantener la neutralidad), y los tamanos relativos de los cationes y aniones

13.3. Materiales polimericos

Las moleculas de los polmeros son grades formada por otras mas pequenas llamadas meros

son de baja densidad

su estructura se compone de largas y flexibles cadenas de carbono con enlaces interatomicos covalentes.Sus enlaces intermoleculares son de Van deer Walls y/o puente de hidrogeno.

poseen gran elasticidad (bajo modulo elastico) debido a la capacidad de rotacion y curvatura de lascadenas

al aumentar su peso molecular aumentan los puntos de fusion ya que se incrementar las fuerzas inter-moleculares. (se vuelve mas rigido)

Se pueden clasificar en Polmeros lineales Los monomeros se unen por cadenas sencillas, largas,flexibles y desordenadas, unidas por fuerzas de Van del Waals. Los otros son mezclas.


a diferencia de los metales y ceramicos, la cristalinidad de los polmeros viene dada por el ordenamientode moleculas y no de atomos. Debido a su tamano y complejidad, las moleculas polimericas suelen serparcialmente cristalinas con regiones cristalinas dispersas dentro de un material amorfo. (poseen gradode cristalinidad)

los p. lineales son los mas faciles de cristalizar, mientras que los reticulados suelen ser amorfos.

Los copolimeros se sintetizan de forma artificial.

Los polmeros se pueden formar (polimerizacion) mediante adicion (Reaccion en cadena para formaruna macromolecula lineal) y Por condenzacion (Reacciones qumicas intermoleculares que implicanmas de un monomero.)

13.3.1. Algunos polimeros

Polietileno - CH2 = CH2-Puede ser de alta densidad (p lineal) o de baja (ramificado)

Cloruro de polivinilo (PVC) -(HH C = C HCl)n-Se obtiene de la mezcla de NaCl y petroleo.

Polimetilmetacrilato, PMMA (Acrlico) -Se obtiene de la polimerizacion de (C5H8O2)-Se suele usar como reemplazo del vidrio ya que tiene menor densidad y mas resistencia.

Resinas epoxicas -Son termoestables-Resisten a altas temperaturas, elevada adherencia a metales, excelente resistencia qumica, vuelvaestabilidad volumetrica.

13.3.2. Termoestables v/s termoplasticos

Termoestables o termofijos-Corresponde a los polmeros reticulados, los otros son termoplasticos.-El aumento de temperatura genera cambios irreversibles de endurecimiento-En el tratamiento termico, ocurre un entrecruzamiento covalente entre las cadenas lo que dificulta elmovimiento de vibracion y rotacion de las cadenas a altas temperaturas.-Temperaturas excesivamente altas causa rotura de los enlaces entrecruzados y degradacion del polme-ro.-Mas duros, fragiles, y resistentes que los termoplasticos.

Termoplasticos -el aumento de temperatura produce ablandamiento llegando incluso a fundirse.-El proceso anterior es completamente reversible y repetible.-Se fabrican con aplicacion simultanea de calor y presion.-Al aumentar la temperatura las fuerzas intermoleculares se debilitan, aumenta la movilidad moleculary se facilita el movimiento de cadenas adyacentes aplicando un esfuerzo.-Relativamente blandos y ductiles.


13.3.3. Polmeros elastomericos

-Son elasticos (E < 3MPA a temperatura ambiente)-En su mayora termoplasticos (Cadenas largas con poco entrecruzamiento).-Suelen ser amorfos y contener silicio.-Entrecruzamiento de sus cadenas permite extensas deformaciones en rango elastico.-Son buenos amortiguadores y disipadores de energa.

13.4. Materiales compuestos

Son materiales de multiples fases que conservan una proporcion significativa de las propiedades de suscomponentes.Poseen faces: la matriz y la fase dispersa. En la mayora fase dispersa es mas dura y resistente que la matriz.

13.4.1. Reforzados con particulas

-Las partculas de refuerzo restringen el movimiento de la matriz en las proximidades de la partcula.La mejora del comportamiento mecanico quedada dada por la fuerza de cohecion en la interface matriz-partcula.-incluye los consolidados por dispersion (partculas pequenas inhiben movimiento de dislocaciones) y losreforzados por partculas grandes (Las caractersticas de estas partculas refuerzan el material, ejemplo delultimo el cemento, con arena)-El modulo de elasticidad queda dado por los modelos de Voight y Reuss.-Los resultados pueden superar a los obtenidos por aleacion.

13.4.2. Reforzados con fibras

-Son los mas eficientes en reforzamiento.-La base matriz suele ser ductil-Suelen tener gran resistencia y baja densidad.-La resistencia mecanica depende del tipo de fibra, como esten alineadas u el grado de transmision de cargade la matriz a la fibra. (son anisotropicas). El reforzamiento y la resistencia son maximas en la direccion dealineamiento, mientras que son mnimos en la direccion perpendcular-Para tensiones bajas el modulo de elasticidad se calcula como siempre, para altas, la matriz se deforma ysolo la fibra resiste al esfuerzo, ya no se aplica la teora.-Dentro de los tipos de materiales reforzados con fibras encontramos los reforzados con fibra de vidrio, ma-teriales de matriz plastica reforzada con fibras, materiales de matriz metalica-fibra y materiales compuestoshbridos.

13.4.3. Materiales compuestos Estructurales: laminares

Estan formados por materiales compuestos y materiales homogeneos, sus propiedades depende de losconstituyentes y la geometra del diseno.Esta formado por laminas o paneles que tienen una direccion preferida con resistencia elevada.Genera materiales anisotropicos.

13.4.4. Materiales compuestos Estructurales: paneles sandwich

Consiste en 2 caras laminares fuertes y rgidas separadas por un material o estructura que forman elnucleo. (por lo general combinan elevada resistencia con baja densidad.)

13.4.5. Nanomateriales

Material del orden de 100 nm o menosLa estructura a nanoescala tiene un efecto dominante en el comportamiento. Ya no se analizan las propiedadescomo antes pero ejemplo en la conductividad no afecta a esta escala el camino libre medio.


La energa superficial si se toma en cuenta. (En niveles mas macros se desprecia por ser despreciable ante lavolumetrica.)ejemplo de los nanomateriales son las nanoesferas y los nanotubos. Los nanotubos tiene lata conductividadelectrica y termica. debido a su tamano pueden atravezar membranas celulares y causar la muerte celular.La aplicacion de los nanomateriales son en industria electronica y computacional, areas de la medicina y labiologa (como la sntesis de ADN)


14. Taller de Microscopa

14.1. Microscopio optico

Requiere de luz (fotones)

Cada lente proporciona un determinado aumento (max es 1000X). Aumento total es el aumento ocularmas el objetivo.

Cuando a la muestra se le hace un ataque qumico, con este microscopio se pueden ver las distintasfaces (distinguimos colores)

el uso de lentes genera aberraciones: Cromatica: Borroso por la distinta distancia focal de los colores.Geometrica: Desvia las horizontales curvando la imagen.

puede ser por iluminacion de campo brillante (BF)o campo oscuro (DF), permite imagenes de grancontraste.

14.2. Microscopio electronico

Generadas por un haz de electrones.

existen 2 tipos: de transmision (TEM) y de barrido (SEM). El primero genera el maximo aumento, elsegundo es capaz de captar imagen con profundidad.

Pueden visualizarse electrones primarios (rebotan en la muestra), secundarios (electrones del material,permite conocer distintas composiciones mediante informacion del Z). Ademas se liberan rayos X.

requiere trabajar al vaco (dificulta ver muestras vivas), debe ser conductora la muestra (o recubiertacon material conductor)

tecnicas de estereologaObtener propiedades tridimensionales a partir de imagenes bidimensionales.

1. Fraccion volumetrica de una faseA partir de la fraccion de area, la cual se puede obtener mediante conteo de puntos o mediciondel area ocupada por la fase de interes.

2. Tamano medio de granose trazan lneas aleatorias y se contabilizan intersecciones con la fase de interes.

3. Tamano de grano ASTM (Ng)Usado frecuentemente en metalurgia. Determina el numero de granos por pulgada cuadrada. Altostamanos de Ng indica tamanos pequenos.

n = 2Ng1

Importancia

Examinar los elementos constituyentes de un material (explicar propiedades y comportamientos,para aplicar transformaciones y mejoras.)

permite el desarrollo de tecnologa a nivel de la microstructura de materiales. (nanomateriales) permite ver los defectos que originan un comportamiento determinado (microstructura de super-

ficies de falla)


Conceptos sobre el tomoEnlaces PrimariosEnlaces inicosEnlaces covalentesEnlaces metlicos

Enlaces secundarios (fuerzas de Van der Walls)Fuerzas intermoleculares se deben a 4 fenmenos

Estructura cristalina y amorfa.Mayas de BravaisEstructuras ms comunes

Puntos direcciones y planos en la celda unitaria.PuntosDirecciones CristalogrficasPlanos CristalogrficosFraccin de empaqueEstructuras cristalinas compactasPolimorfismo

Sitios instersticialesDifraccin de rayos X. Determinacin de estructuras cristalinas

Defectos MicroestructuralesDefectos puntualesDefectos LinealesEfecto de las DislocacionesDefectos superficiales

Propiedades MasicasDensidadDensidad realDensidad AparenteCapacidad de Absorcin de aguaPermeabilidad intrnseca: Que un fluido atraviese el solido

Propiedades TrmicasFuerzas y Energa de enlaceAplicacin de energa calricaExpansin y contraccin TrmicaCalor especificoCapacidad calricaConductividad Trmica

Propiedades elctricasConceptos clavesConductividad elctrica

OtrosComparar materiales

Propiedades mecnicas.Conceptos de tension y deformacin unitariaTipos de Solicitacin Circulo de Mohr

Comportamiento elsticoComportamiento visco-elsticoElasticidad y viscocidadReologa y Viscocidad.Elasticidad en materiales compuestos.Materiales visco-elsticos compuestos. Modelos reolgicos

Comportamiento plstico.Criterios de FluenciaFluencia en materialesDctilidad

Fallas por Fractura y FatigaGrietasFracturaFtiga

Ensayos mecnicos

Clase de MaterialesMetalesAlgunos metalesFactores que afectan las propiedades mecnicas de los metalesTcnicas de conformacin metalica

CermicosAlgunos cermicos

Materiales polimricosAlgunos polimerosTermoestables v/s termoplasticosPolmeros elastomericos

Materiales compuestosReforzados con particulasReforzados con fibrasMateriales compuestos Estructurales: laminaresMateriales compuestos Estructurales: paneles sandwichNanomateriales

Taller de MicroscopaMicroscopio pticoMicroscopio electrnico

Materia I2-I3 (2)

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