LUZ ADRIANA CAÑAS MENDOZACIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES

ESCUELA DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

• Introducción• Clasificación de los materiales• Fuerzas interatómicas• Tipos de enlace

PARTE I.PARTE I.PARTE I.PARTE I.

Factores de selección de un material:Factores de selección de un material:

Factibilidad de fabricación Estabilidad dimensional Compatibilidad con los demás materiales Reciclabilidad Impacto ambiental durante su fabricación y desecho Costo de fabricación

Los MATERIALES se diseñan de acuerdo a una APLICACIÓN ESPECÍFICA → Comportamiento físico (MECÁNICO), químico (CORROSIVO), entre otros.

MetalesMetales

CerámicosCerámicos

PolímerosPolímeros

SemiconductoresSemiconductores VidriosVidriosCemento y concretoCemento y concreto

CompósitosCompósitos

Micrografia óptica de un latón policristalino. 100X.

Combinación de elementos metálicos

Gran número de electrones libres

Muchas propiedades están relacionadas a esos electrones

Buenos conductores eléctricos y térmicos; opacos; alta resistencia mecánica, moderada plasticidad y alta tenacidad

MetalesMetales

Combinación de elementos metálicos y no metálicos (carburos, óxidos y nitruros)

Cerámicas, arcillas, vidrios, vitro-cerámicas

Aislantes térmicos y eléctricos; refractarios; resistentes a medios químicamente agresivos; muy duras y muy frágiles

Micrografia óptica de transmisión del nitruro de silício (Si3N4). 750X.

CerámicosCerámicos

Compuestos orgánicos a base de carbono, hidrógeno y otros elementos.

Estructuras moleculares muy grandes (macro-moléculas).

Plásticos y Cauchos.

Poseen baja densidad; materiales bastante flexibles, fácilmente conformables y poco resistentes a las altas temperaturas.

Micrografia óptica de transmisión de un polietileno. 525X.

PolímerosPolímeros

CompuestosCompuestos Constituídos por más de un tipo de material.

Diseñados para presentar las mejores características de cada uno de los materiales involucrados.

Ejemplo: las llamadas fibras de vidro están constituídas por fibras de un material cerámico (vidrio) distribuídas en un material polimérico.

Micrografia óptica de un compuesto reforzado con fibras de vidrio. 1000X

SemiconductoresSemiconductores

Poseen propiedades eléctricas intermediárias de un material conductor e un aislante.

Sus propiedades eléctricas son extremadamente sensibles a la presencia de impurezas.

Utilizados en la industria electrónica para fabricar circuitos integrados.

“Wafer” pulida en Si.

BiomaterialesBiomateriales

Utilizados para recomponer partes del cuerpo humano que fueron dañadas por enfermedades o accidentes.

Deben ser compatibles con los tejidos humanos, es decir, no pueden liberar sustancias tóxicas cuando están en contacto con fluidos o tejidos del cuerpo humano.

Fotografia de dos prótesis para implantes quirúrgicos.

Cómo se constituyen los materiales de ingeniería?

MetalesMetalesMetalesMetales - Ferrosos: Aceros y fundiciones- No ferrosos: Bronces, latones, aluminio, etc.

CerámicosCerámicosCerámicosCerámicos - Óxidos: Al2O3, ZrO- Nitruros: Si3N4

- Carburos: WC, TiC, Fe3C- Compuestos complejos

PolímerosPolímerosPolímerosPolímeros - Termofijos: redes poliméricas con enlaces cruzados- Termoplásticos: Enredamiento de moléculas de alto PM

Cemento y concretoCemento y concretoCemento y concretoCemento y concreto

CompositosCompositosCompositosCompositos - Metal + cerámico = Compuesto de matriz metálic o matriz cerámica (CERMET)

- Cerámico 1 + cerámico 2 = Composito cerámico o cerámico reforzado (fibras, hojuelas o partículas)

- Vidrio + fibra de cerámico = vidrio cerámico

- Fibra de carbón + resina (TERMOFIJA)

- Fibra de polímero + resina (TERMOFIJA)

MATERIALMATERIALMATERIALMATERIAL

Átomo Átomo (distribución de electrones)Átomo Átomo (distribución de electrones)

Arreglo atómico Arreglo atómico (tipo de enlace, tamaño relativo de iones o átomos)Arreglo atómico Arreglo atómico (tipo de enlace, tamaño relativo de iones o átomos)

Granos Granos (forma y tamaño de los granos). Bronce C86300(Cu/Sn + Mn de alta resistencia)

Granos Granos (forma y tamaño de los granos). Bronce C86300(Cu/Sn + Mn de alta resistencia)

Aleaciones multifásicas Aleaciones multifásicas (tipo, distribución y cantidad). Composito fibra epoxica/vidrio

Aleaciones multifásicas Aleaciones multifásicas (tipo, distribución y cantidad). Composito fibra epoxica/vidrio

Dendritas en una aleación Al-Ti. Dendritas en una aleación Al-Ti. Fotografía en microscopio electrónico de barrido

Dendritas en una aleación Al-Ti. Dendritas en una aleación Al-Ti. Fotografía en microscopio electrónico de barrido

MECÁNICASMECÁNICASMECÁNICASMECÁNICAS Cómo responde un material al aplicársele una fuerza o un esfuerzo.

- Resistencia mecánica, ductilidad, rigidez, resistencia al impacto, resistencia a la fatiga, termofluencia y desgaste.- Las propiedades mecánicas influyen en la facilidad con que el material puede ser conformado en un producto.

FÍSICASFÍSICASFÍSICASFÍSICAS Dependen tanto de la estructura como delprocesamiento de los materiales.

- Comportamiento eléctronico, magnético, óptico, térmico y elástico.

Genera la forma deseada del componente a partir de un material uniforme

METALES Fundición Soldadura Forjado, trefilado, laminado,

doblado Pulvimetalurgia Maquinado

CERÁMICOS Compactación Colada en pasta fluida Colado continuo de suspensión Conformado rotatorio de pasta Extrusión Moldeo por inyección

POLÍMEROS- Moldeo por inyección- Moldeo rotatorio- Conformado- Extrusión

VIDRIOS- Moldeo por soplo- Extrusión

La mayoría de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales, climáticos y de condiciones extremas

TEMPERATURA Reblandecimiento Degradación Transformaciones de fases Fragilización

Efecto de la temperatura sobre la resistencia mecánica

Los líquidos corrosivos también atacan a algunos materiales.

- Los metales del grupo I y II de la Tabla Periódica reaccionan inmediatamente con el oxígeno

- La mayoría de los metales ingenieriles son los que se encuentran en la zona de transición (tienen menor afinidad por el oxígeno: oxidación muy lenta a temperatura ambiente, pero incrementa con el aumento de T)

CORROSIÓN: Reacción de un material con el oxígeno u otros gases, particularmente a alta temperatura.

La materia está compuesta de átomos que forman los elementos químicos.

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA: CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA: Cómo se distribuyen los electrones en un átomo. El orden en el que se van llenando los niveles de energía lo podemos tener utilizando la regla de la diagonal:

El orden de los elementos en la tabla periódica se relaciona con su configuración electrónica.

Se sigue la flecha del esquema comenzando en 1s1s hasta completar los orbitales con los electrones en forma correcta.

Capacidad de cada subnivel: (s = 2e-, p = 6e-, d = 10e- y f = 14e-).

Niveles de energía

Subniveles

s

p

d

f

Cómo escribir la configuración electrónica de un átomo?Cómo escribir la configuración electrónica de un átomo?

- Saber el número de electrones que tiene: conociendo el número atómico (Z) del átomo en la tabla periódica. Z= Nº electrones (-) = Nº protones (+)

- Ubicar los electrones en cada uno de los niveles de energía, comenzando desde el nivel más cercano al núcleo (n = 1).

Ejemplo:

32 GeGermanio

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

32 GeGermanio

ELECTRONES DE VALENCIAELECTRONES DE VALENCIA

4 Niveles de energía

4 electrones de valencia

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

32 GeGermanio

PERIODOPERIODO

PERIODOSPERIODOS

4 Niveles de energía

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

32 GeGermanio

GRUPOGRUPO

GRUPOSGRUPOS

4 Electrones de valencia

EJERCICIOS:EJERCICIOS: Escribir la configuración electrónica de los siguientes elementos químicos:

a)a) Magnesio (Mg) b)b) Azufre (S)

a)a) Mg : Z = 12 → 1s2 2s2 2p6 3s2

b)b) S : Z = 16 → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

VALENCIAVALENCIAVALENCIAVALENCIA Capacidad para combinarse químicamente con otros elementos

ELECTRONEGATIVIDADELECTRONEGATIVIDADELECTRONEGATIVIDADELECTRONEGATIVIDAD Tendencia a ganar electrones. Ej: a) Na, Cl

Utilizando sus estructuras (configuraciones) electrónicas compare las electronegatividades del calcio y del bromo.

Ca : Z = 20 → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

Br : Z = 35 → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5

Cuáles son los factores que controlan las propiedades de los materiales?

La composición

El tipo de enlace

La estructura cristalina – arreglo de los àtomos

La temperatura

La presión

Los tipos de enlace atómico controlan: La temperatura de fusión La densidad La conductividad térmica y eléctrica El coeficiente de expansión térmica

TIPOS DE ENLACETIPOS DE ENLACETIPOS DE ENLACETIPOS DE ENLACE

COVALENTE

ENLACE PRIMARIOENLACE PRIMARIOENLACE PRIMARIOENLACE PRIMARIO ENLACE SECUNDARIOENLACE SECUNDARIOENLACE SECUNDARIOENLACE SECUNDARIO

IÓNICO

METÁLICO

PUENTES DE H

VAN DER WAALS

ENERGÍAS DE ENLACEENERGÍAS DE ENLACEENERGÍAS DE ENLACEENERGÍAS DE ENLACE

CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE IÓNICOCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE IÓNICOCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE IÓNICOCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE IÓNICO

Se presenta entre los átomos de los primeros y los últimos elementos de la tabla periódica

Involucra transferencia de electrones de un átomo a otro

No-direcional

Resulta de la atracción electrostática entre dos iones de cargas opuestas

Ejemplo: Para el cloruro de sodio NaClNaCl, tanto en el catión Nacatión Na++ como el anión Clanión Cl--, quedan con los orbitales externos completos.

CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE COVALENTECARACTERÍSTICAS DEL ENLACE COVALENTECARACTERÍSTICAS DEL ENLACE COVALENTECARACTERÍSTICAS DEL ENLACE COVALENTE

Se presenta entre átomos cercanos entre sí en la tabla periódica

Se comparten los electrones de valencia de dos átomos adyacentes

Es un enlace altamente direcional

Ejemplo: Unión de dos átomos de hidrógeno para formar una molécula de H2

H

(1 electrón)

H

(1 electrón)H2

(orbital molecular con 2 electrones)

r

+

Ejemplo: Esquema del enlace covalente del metano (CH4)

C H CH H

H

H

+ 4

Ejemplo: Molécula de cloro gaseoso Cl2:

Cl : Z = 17 → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Cl Cl Cl Cl Cl Cl

+ =

+ =

CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE METÁLICOCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE METÁLICOCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE METÁLICOCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE METÁLICO

Electrones de valencia deslocalizados: igual probbilidad de estar asociados a cualquiera de los átomos circundantes

Involucra una distribución compartida de electrones

No-direcional

Se origina una nube o gas de electrones (nube electrónica)

Iones metálicos

Nube electrónica(gas de electrones libres)

CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE DE VAN DER WAALSCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE DE VAN DER WAALSCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE DE VAN DER WAALSCARACTERÍSTICAS DEL ENLACE DE VAN DER WAALS

Atracciones generadas por la asimetría de cargas: DIPOLOS.DIPOLOS.

Mecanismo similar al de los enlaces iónicos: atracción de cargas opuestas, pero NO HAY ELECTRONES TRANSFERIDOSNO HAY ELECTRONES TRANSFERIDOS.

_ +

r

_ +

a) Dipolo Transitorioa) Dipolo Transitorioa) Dipolo Transitorioa) Dipolo Transitorio

Cuando dos átomos neutros desarrollan entre ellos una fuerza de enlace débil gracias a una ligera distorsión en su distribución de carga.

b) Dipolo Permanenteb) Dipolo Permanenteb) Dipolo Permanenteb) Dipolo Permanente

Cuando las energías asociadas al enlace son mayores como en los puentes de hidrógeno donde los átomos de H se convierten en los centros de carga positiva del dipolo. Ej: Agua (H2O)

Cuando se aplica una fuerza al polímero se rompen los enlaces de Van der Waals y las cadenas se deslizan

En el PVC los átomos de Cl unidos a la cadena del polímero tienen carga negativa y los átomos de H carga positiva

Ocurre entre moléculas con el H unido covalentemente al F (HF), O (H2O) o N (NH3).

CARACTERÍSTICAS DE LOS CARACTERÍSTICAS DE LOS PUENTES DE HIDRÓGENOPUENTES DE HIDRÓGENOCARACTERÍSTICAS DE LOS CARACTERÍSTICAS DE LOS PUENTES DE HIDRÓGENOPUENTES DE HIDRÓGENO

Caso especial de enlace entre moléculas polares.

Es el tipo de enlace secundrio más fuerte

H F H F

Enlace de Hidrógeno

Moléculas de H2O en el hielo mostrando los puentes de hidrógeno.

Comparación entre los diferentes tipos de enlace y la energía involucrada

Tipos de enlace presentes en los diferentes materiales

Contribución relativa de los tipos de enlace para las cuatro categorias fundamentales de materiales de ingeniería (metales,

cerámicos, polímeros y conmpuestos)

Energías de enlace y temperaturas de fusión