Resumen Materiales-1

5/14/2018 Resumen Materiales-1 - slidepdf.com

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TEMA 1Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales.

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Tema 1

Introducción a la ciencia e ingeniería de materiales

1.1. Introducción.

Las propiedades de los materiales son la consecuencia inmediata de la microestructuraque presentan en cada momento.

1.2. Los materiales en la sociedad actual.

La ciencia de materiales se fundamenta en el conocimiento de la estructura interna delmaterial. Conocer la estructura interna de un material permite la deducción de las propiedades

más relevantes del mismo y por tanto sus potenciales aplicaciones. La ingeniería de materiales

se dirige principalmente a la utilización de los materiales para obtener productos necesarios parala sociedad, basándose en la aplicación de los conocimientos que sobre los mismos existen.

Figura 1.2 se presenta un esquema de la integración entre ciencia e ingeniería de materiales.

1.3. Propiedades de los materiales.

Densidad

Resistencia mecánica

Elasticidad

Plasticidad

Dureza

Fragilidad

Tenacidad

DuctilidadMaleabilidad

Conductividad eléctrica

Conductividad térmica

Propiedades físicas

Punto de fusión

Importantes para

su utilización

Resistencia a la corrosión

Aleabilidad

Reducción

Reutilización

Reciclabilidad

Colabilidad

ConformabilidadMaquinabilidad

Propiedades físico-

químicas y tecnológicas

Soldabilidad

Importantes para su

fabricación, transformación,

utilización y gestión

medioambiental




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Propiedades físicas (mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y magnéticas.)

Densidad

Relación entre la masa y el volumen del material.Materiales metálicos está condicionada por la alta compactación quetienen los átomos en el enlace metálico, por lo que son materiales que

presentan alta densidad.

Resistencia

mecánica

Resistencia que presenta a deformarse cuando está sometido a la acción deuna carga exterior. (Tracción, compresión, flexión, cizalla).

Elasticidad

Viene determinada por la capacidad que presenta para recuperar su

forma y dimensiones iniciales cuando cesa la causa generadora de sudeformación. (Ensayo de tracción).

PlasticidadAptitud que presentan ciertos materiales para deformarse plásticamente

bajo la acción de fuerzas externas, sin alcanzar la rotura.

DurezaResistencia que opone un material a la deformación plástica generadamediante la indentación3 de otro. (Ensayos de dureza).

FragilidadPropiedad de romperse bajo la acción de una determinada carga sin

deformarse significativamente

Tenacidad Capacidad que presenta un material para absorber energía durante sudeformación plástica hasta producirse la rotura (Péndulo de Charpy).

Ductilidad

Capacidad de un material para deformarse plásticamente sin alcanzar la

fractura. Se calcula midiendo su alargamiento o su reducción de área en elensayo de tracción.

Maleabilidad Aptitud que presenta un material para reducirse a láminas muy finas.

Conductividad

eléctrica

Indica la propiedad de un material de conducir la corriente eléctrica y está

relacionada con la existencia de electrones libres en el material (Enlace

metálico).

Conductividad

térmica

Medida de la intensidad con la que el calor se transmite a través del

material. Material mejor conductor, cuanta mayor compactación en suestructura interna.

Tª de fusión

Aquella a la que debe ser sometido para proporcionarle la energía térmicanecesaria para romper todos los enlaces que le dan cohesión, yconsecuentemente se transforme en líquido.

Propiedades físico-químicas y tecnológicas.

3-6: Gestion medioambiental. 7-9: Transformación de materiales.

(1) Resistencia

a la corrosión

Resistencia que presenta un metal a deteriorarse en su ambiente deservicio por la acción de reacciones químicas o electroquímicas.

(2) Aleabilidad Capacidad que presentan los metales para formar aleaciones metálicas.

(3)

Reducción

Capacidad del material para mantener sus propiedades con la menor

cantidad de material por unidad de producto

(4)

Reutilización

Característica del material que le permite ser utilizado un número

determinado de veces sin someterse a procesos de transformación.(5)

Reciclabilidad

Característica de un material que permite, mediante procesos detransformación, alargar su vida útil

(6)

Colabilidad

Aptitud que presenta un material metálico para ser colado en el interior deun molde, y obtener un producto sólido «sano», y por tanto libre dedefectos.

(7)

Conformabilidad

Capacidad de un material para ser sometido a procesos de deformación plástica durante su conformación, con el fin de obtener geometrías

diversas.

(8)

Maquinabilidad

Capacidad que presenta un material para someterse a procesos deconformación mediante arranque de viruta.

(9)

Soldabilidad

Aptitud de un material a someterse a procesos de unión, mediante algunode los numerosos métodos de soldadura.




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1.4. Estructura atómica.

Se considera el átomo como un conjunto de partículas subatómicas básicas,fundamentalmente protones, neutrones y electrones. Los electrones, de carga eléctrica negativay masa despreciable, se localizan en la corteza del átomo girando alrededor del núcleo, en el

que se concentran los protones de carga positiva y los neutrones sin carga alguna . El ordende magnitud de las cargas de electrones y protones es de 10 19 culombios y el de las masas de protones y neutrones es de 102 4 g, mientras que el de la masa del electrón es 1028 g. El átomo

en condiciones normales es eléctricamente neutro y la masa se encuentra concentrada en elnúcleo.

La masa atómica de un átomo corresponde a la suma de las masas de protones yneutrones.

Pueden existir átomos de un mismo elemento con distintas masas atómicas, a este tipode átomos se les denomina isótopos.

Tanto el peso atómico de un elemento como el peso molecular de un compuesto se

pueden expresar, bien en «umas» por átomo o molécula, o en masa por mol de materia. En

un mol hay 6,023 • 1023

átomos o moléculas, que corresponde al número de Avogadro.

.- Electronegatividad

Los elementos del sistema periódico se dividen en metales y no metales.

Los elementos denominados electropositivos, que son aquellos que por su naturalezatienen tendencia a ceder electrones y quedarse cargados positivamente originando un catión, se

corresponden con los metales siendo los de mayor carácter electropositivo los grupos IA y IIA.

En contraste, se encuentran los elementos electronegativos cuya tendencia es captar electronesy quedarse con carga negativa y así formar aniones, siendo los elementos más electronegativos

desde el grupo IVA hasta el VIIA.

1.5. Tipos de enlace.

Los enlaces primarios son fuertes y se forman cuando los orbitales externos comparteno transfieren sus electrones. Los enlaces secundarios son más débiles que los primarios, comoconsecuencia de que la atracción entre sus cargas es menos intensa y además no se comparten nise transfieren electrones.

Entre los enlaces primarios se encuentra el enlace metálico, el iónico y el covalente,

y entre los secundarios destaca el de Van der Waals. El grupo de enlaces mixtos

corresponde a aquellos casos en los que en el enlace interviene una combinación de losanteriores.

Los elementos químicos se caracterizan por el

número atómico y la masa atómica. El número de protones

existentes en sus núcleos coincide con el número de electronescuando el átomo es neutro y con el número atómico de cadaelemento químico, y a su vez con su ordenación numérica en elsistema periódico de los elementos, tal y como se puede

observar en el esquema de la figura.

Número atómico

Masa atómica




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1.5.1. Enlace Metálico.

El enlace metálico es el enlace más usual en los materiales metálicos sólidos, y suestructura atómica se caracteriza por la proximidad entre átomos, lo que da lugar a que los

electrones externos de valencia sean atraídos por los núcleos de los átomos colindantes. De estemodo, los electrones de valencia de los átomos que intervienen en el enlace se encuentran libres

o deslocalizados formando una nube de electrones, por lo que la probabilidad de que se

encuentren asociados a uno cualquiera de los múltiples átomos adyacentes es la misma.

Los elementos metálicos una vez enlazados pueden considerarse como un conjunto deesferas positivas constituidas por el núcleo del átomo y por los electrones localizadoscorrespondientes. Es decir, por los átomos sin sus electrones de valencia, dando así lugar a laformación de cationes o restos positivos. Los cationes originados se ven rodeados por una «nube

electrónica» formada por los electrones de valencia de todos los átomos que intervienen en elenlace.

Dado que la aglomeración de cationes es muy compacta, la densidad en los metalesserá elevada; como consecuencia del modelo de enlace la conductividad eléctrica será buena, puesto que los electrones deslocalizados se mueven libremente, favoreciéndose así esta propiedad. Por otra parte, la estructura compacta permite que las vibraciones de origen térmicotransmitan rápidamente el calor.

En cuanto a propiedades mecánicas como son maleabilidad y ductilidad, se puedeasegurar que son buenas, dado que los cationes no están unidos con enlaces dirigidos, de talmanera que el hueco dejado por uno pueda ser ocupado por otro.

1.5.2. Enlace Iónico.

El enlace iónico es de naturaleza electrostática y se produce como resultado de latransferencia de electrones de un átomo a otro, consecuencia de la diferencia deelectronegatividad existente entre ellos. Tiene lugar entre átomos de elementos muy

electropositivos como son los metales y elementos muy electronegativos como son los no

metales. En el proceso de ionización los electrones se transfieren desde los átomos de loselementos electropositivos a los átomos de los electronegativos, dando lugar a la formación decationes (iones positivos) y aniones (iones negativos). El enlace iónico se origina entre estos

iones de carga opuesta.

El enlace iónico es no direccional.

El resultado neto del proceso es la producción del mismo número de aniones que decationes lo que garantiza la neutralidad de carga en los sólidos iónicos.

Enlace metálico

Enlace Iónico




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Estos materiales son duros, frágiles y aislantes tanto eléctrica como térmicamente.

1.5.3. Enlace Covalente.

Este tipo de enlace es altamente direccional, al contrario de lo que ocurre en el iónicoy en el metálico. Se basa en compartir los electrones de valencia entre átomos adyacentes,teniendo lugar entre elementos que presentan idéntica o similar electronegatividad, como es el

caso de la unión de átomos para formar moléculas de H2, Cl2, 02, N2, HF, CH4 y otrasmuchas.

Este tipo de enlace se presenta en una gran variedad de materiales que van desde loscerámicos covalentes, como por ejemplo los semiconductores base Si o los materialesabrasivos de diamante, hasta las moléculas de carácter orgánico. Este enlace es el responsable

directo de muchas de las propiedades de los materiales poliméricos, tales como la baja

conductividad eléctrica o el carácter dieléctrico, dada la no existencia de electrones libres.

Una característica importante de los sólidos que presentan enlace covalente es el ángulode enlace

Los ángulos de enlace en los que interviene el C se encuentran muy próximos al valor

ideal, que es de 109,5° y justifica la forma zigzagueante de las macro-moléculas poliméricas,

como por ejemplo el polietileno y también la disposición tetraédrica que presentan lasestructuras cristalinas cúbicas del diamante, Si o Ge, entre otros materiales.

1.5.4. Enlaces Secundarios.

La cohesión en un material se debe, fundamentalmente, a uno o varios de los enlaces

primarios descritos anteriormente

El de Van der Waals es uno de los enlaces secundarios más característicos, cuyomecanismo es algo similar al del iónico, puesto que también se basa en la atracción de cargasopuestas, aunque sin producirse transferencia de electrones. Es decir, se fundamenta en lainteracción electrostática e incluye todas aquellas fuerzas que tienen su origen en las atraccionesy repulsiones de los campos eléctricos y magnéticos creados por núcleos y electrones.

Otro enlace secundario, denominado enlace por puentes de H, se presenta entremoléculas que tienen átomos de H en su constitución.

1.5.5. Enlaces Mixtos.

Se encuentran materiales que presentan enlaces metálico y covalente, metálico y iónico,iónico y covalente, iónico-covalen-te y metálico.

El enlace metálico-covalente es común entre los elementos de transición, con altastemperaturas de fusión.

El enlace metálico-iónico es característico de los denominados compuestos

intermetálicos19

y su carácter más o menos iónico dependerá de la diferencia deelectronegatividad de los elementos que lo forman

De igual forma, la mayoría de las moléculas con enlaces covalentes presentancaracterísticas de enlace iónico y viceversa, dependiendo de la diferencia de sus

electronegatividades de forma que a mayor diferencia, mayor es el porcentaje de enlace iónico.




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1.6. Clasificación de los Materiales.

Los materiales pueden clasificarse para su estudio y de forma general, en función de suenlace predominante.

Teniendo en cuenta el tipo de enlace, la clasificación de los materiales expuestaasocia:

· El enlace metálico a los metales.

· El iónico a los cerámicos y vidrios, aunque con un fuerte carácter covalente.

· El covalente a las cadenas de los polímeros, aunque con enlaces secundarios débilesentre cadenas adyacentes.

· Por último, los materiales compuestos se encuentran identificados mediante el enlacecaracterístico de la matriz que los constituye.

1.6.1. Materiales Metálicos.

Los materiales metálicos se dividen, convencionalmente, en metales y aleacionesférreas y metales y aleaciones no férreas, correspondiendo al primer grupo aquellosmateriales cuyo metal base o elemento en mayor porcentaje es el Fe acompañado de otrosmetales, aunque pudiendo estar presentes algún elemento no metálico, siendo los aceros yfundiciones los más representativos. Dentro de las aleaciones no férreas se encuentran aquellos

materiales metálicos cuyo elemento base no es el Fe.

1.6.2. Materiales Poliméricos.

El enlace característico de estos mate ríales es el covalente para las cadenas

principales, mientras que las uniones entre estas cadenas se realiza por enlaces de Van der

Waals, lo que confiere un carácter más débil a estas uniones. Los materiales se dividen entermoplásticos, termoestables o resinas y elastómeros o cauchos.

1.6.2. Materiales Cerámicos y Vidrios.

Los materiales cerámicos son materiales de naturaleza inorgánica formados por metales

y no metales, caracterizados por su baja o casi nula tenacidad.

Sus propiedades varían en función del tipo de enlace, iónico y/o covalente.

Los vidrios son materiales inorgánicos amorfos cuya base es la sílice, que se hanincluido tradicionalmente dentro del grupo de materiales cerámicos aunque constituyen ungrupo propio debido a sus peculiares características entre las que destaca su carácter no

cristalino.

1.6.3. Materiales Compuestos.

Un material compuesto es un sólido constituido por distintas fases, resultandohomogéneo a escala macroscópica y heterogénea a escala microscópica. Se componen

básicamente de matriz y refuerzo, y según sea la naturaleza de la matriz (metálica,cerámica o polimérica) y la geometría del refuerzo (fibras largas, cortas, entramados, etc.) así

serán sus propiedades finales, aspectos que permiten una gran libertad de diseño y por tantouna gran versatilidad.




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1.6.4. Otros Materiales.

Dada su importancia económica y tecnológica, los materiales semiconductores

pueden considerarse como otro gran grupo, que se engloba en el de los materialesfuncionales. El Si es el elemento más representativo de este grupo de materiales, si bien el

Ge y el Sn también lo son, dando lugar todos ellos a materiales semiconductores

Otros materiales son los denominados nanomateriales, que presentan características

que se encuentran en la escala de longitud menor de 100 nm, los cuales pueden ser de naturalezametálica, polimérica, cerámica y compuesta, utilizándose originalmente como catalizadores y pigmentos.



TEMA 2Estructura interna de los materiales. Sistemas cristalinos.

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Tema 2

Estructura interna de los materiales. Sistemas cristalinos.

2.1. Introducción.

2.2. Estado sólido.

El estado sólido de la materia se caracteriza por el grado de orden que presenta cadasólido en su estructura interna. Según este orden interno, los sólidos se clasifican encristalinos y amorfos.

Sólidos Cristalinos. Sólidos Amorfos..- Aquellos cuyos átomos o iones se ordenan for-mando una determinada estructura interna que serepite sistemáticamente en todo el material, dando

lugar a un orden de largo alcance..- Sólidos cristalinos son los materiales metálicos;la inmensa mayoría de los materiales cerámicos, yciertos materiales poliméricos que son par-cialmente cristalinos..- Los sólidos cristalinos se fracturan a lo largode los distintos planos de su estructura cristalina.

.- Aquellos en los que los átomos, iones omoléculas que los forman se encuentrandesordenados o poco ordenados, por lo que

no presentan órdenes de largo alcance..- El ejemplo más característico de sólidoamorfo es el vidrio, que es el más utilizado para referirse a un material no cristalino..- La fractura de un sólido amorfo no es plana sino que se caracteriza por no seguir planos cristalinos.

La materia no se encuentra totalmente ordenada o desordenada sino que existe unadegradación continua del orden en los materiales, induciendo diferentes grados decristalinidad.

En general, los materiales tienen tendencia a alcanzar el estado cristalino por ser elmás estable, si bien en teoría cualquier material cristalino puede ser fabricado con una estructuraamorfa si se solidifica con la suficiente rapidez desde el estado líquido.

La temperatura de fusión es la temperatura a la que se debe someterse el material paraque la energía térmica suministrada sea suficiente como para romper todos los enlaces que dancoherencia al sólido.

2.2.1. Tipos de sólidos Cristalinos.

Tipos de Sólidos Cristalinos, según su apariencia.

MaterialesMonocristalinos.

Materiales Policristalinos.

.- Se presentan como unsolo cristal..- Se identifican por sudisposición atómica perfecta, es decir sindiscontinuidades a lo largodel mismo.

.- Se presentan como un conjunto de cristales.

.- Resultan de la unión de cristales de diferente tamaño,denominados granos, unidos a través de sus fronteras,disponiendo cada uno de ellos de una determinada orientacióncristalográfica..- Las fronteras de grano se caracterizan por su elevada densidadde defectos de red, fundamentalmente dislocaciones.




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Tipos de Sólidos Cristalinos, según naturaleza del enlace químico.

Tipo enlace Propiedades. Tipo Red.

Metálicos Metálico .- Sólidos Opacos..- Buenos Conductores..- Dúctiles y maleables (carácter no direccional)..- Elevada Tª fusión, densidad y dureza.

Cúbica oHexagonal.

Iónicos Iónico .- Alto punto de fusión..- Elevada dureza..- Cierta fragilidad..- Baja conductividad eléctrica.

Tipo NaCl.

Covalentes Covalente .- Duros y frágiles..- Elevado punto de fusión..- Escasa deformación plástica.- Anterior debido al carácter direccional del enlace..- Conductividad eléctrica varía.

Moleculares Van der

Waals

.- Sólidos blandos.

.- Bajo punto de fusión..- Aislantes: eléctricos y térmicos.

.- Materiales poliméricos.

2.3. Sistemas cristalinos. Red espacial.

La cristalografía se encarga de estudiar ysistematizar los diferentes sistemas cristalinos exis-tentes, caracterizados por las distintas geometrías de lacelda unidad que es el elemento más sencillo escogido

para representar a la unidad estructural.La celda unidad se define mediante los

parámetros de red: tres que corresponden a laslongitudes de sus lados a, b, c, y tres ángulos entre losdistintos ejes

La cristalografía establece siete sistemascristalinos con arreglo a su grado de simetría, siguiendola propiedad de que «todos los cristales de una mismasustancia presentan los mismos elementos desimetría».

Los sistemas cristalinos de mayor interéstecnológico son el cúbico y el hexagonal.

Se puede considerar el cristal como unarepetición de la unidad elemental, celda unidad, quedispone de un determinado número de átomos y de todoslos elementos de simetría, de tal forma que repetidotridimensional mente da origen a un cristalmacroscópico.




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Un estudio sistemático llevado a cabo por el cristalógrafo francés Auguste Bravais le permitió definir catorce tipos de redes cristalinas relacionadas con los siete sistemascristalográficos.




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2.4. Isomorfismo y Alotropía.

Se dice que dos metales son isomorfos cuando presentan la misma estructura cristalina.Cuando un metal o un no metal presentan más de una estructura cristalina en el estado

sólido, en condiciones de presión y temperatura diferente, se dice que presenta alotropía. Cadauna de las formas cristalinas constituye un estado alotrópico y el tránsito de un estado a otrotiene lugar a una determinada temperatura y presión.

En general, el estado alotrópico estable a más baja temperatura se denomina a, y a lossiguientes fj, 7, 5 y así sucesivamente. La temperatura a la cual se produce el cambio alotrópicose denomina «punto o temperatura crítica».

Simple

Simple

Simple

Simple

Simple

Simple

Centrada en las bases

Centrada en las bases

Centrada en cuerpo

Centradaen cuerpo

Centrada en cuerpo

Compacta

Centradaen caras

Centrada en caras




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2.5. Índices de Miller.

El interior del cristal puede considerarse como un conjunto de puntos que coinciden conlas posiciones de los núcleos de los átomos que constituyen el mismo. En esta distribución cabe pensar en la existencia de planos y direcciones cristalográficas cuyas orientaciones odirecciones, respecto de los ejes cristalográficos o de referencia, dependen de las posiciones delos átomos que se supone se encuentran situados o pertenecen a dichos planos y direccionescristalográficas.

La definición de un plano cristalográfico se hace con respecto a las intersecciones delmismo con los ejes de referencia.

2.5.1. Índices de Miller de planos cristalográficos.

Índices de Miller de planos cristalográficos (h k l) (ENTRE PARENTESIS)Para definir un plano reticular o el conjunto de sus paralelos, se utilizan tres índices de

Miller (h k /), según los siguientes pasos:

• Se determinan las intersecciones del plano con los ejes cristalográficos, de tal forma queel plano no debe contener a ninguno de los ejes. Las intersecciones se expresan enfunción del parámetro de red que, independientemente del valor que tenga, se asocian a launidad.

• Se calculan los recíprocos de los números resultantes.• Se buscan los números enteros más pequeños que se encuentren en la misma relación

que los recíprocos.• Se expresa la notación de Miller para el plano considerado.

Esta notación informa de su situación geométrica dentro del cristal y representa no sóloal plano correspondiente en la celda unidad, sino a todo el conjunto de planos paralelos en elcristal.

El plano no se encuentra arriba, porque no puede contener a ninguno de los ejes.




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2.5.2. Índices de Miller de direcciones cristalográficos. [u v w] [ENTRE CORCHETES]

De igual manera que existen planos cristalográficos dentro del cristal, también se tienendirecciones cristalográficas y por lo tanto será necesario su notación mediante índices de Miller,que se obtienen de una forma directa determinando las coordenadas del vector cuyo origencorresponde al origen de coordenadas, representándose dentro de un corchete los valorescorrespondientes.

Igual que para los planos cristalográficos, la notación de Miller para las direccionescristalográficas indica no sólo una dirección dentro de la celda unidad, sino también la de lasfamilias de direcciones paralelas dentro del cristal.

Así [h k l] representa una familia de planos equivalentes, entendiéndose por equivalentes aquellos que tienen la misma densidad atómica superficial, distribución atómica eíndices de Miller en valor absoluto. ). Es decir: [100] = (100) (010) (001) (100) (010) (001).

Se buscan los NUMEROS ENTEROS más pequeños.

Igualmente, (uvw) representa una familia dedirecciones cristalográficas equivalentes, lo quesignifica igual densidad atómica lineal, distribuciónatómica e índices de Miller en valor absoluto.

En la figura 2.22 se representan, mediantedistintos vectores, las seis direcciones cristalográficascorrespondientes a los ejes de referencia tanto en sentido positivo como negativo, designándose mediante paréntesis angulares:

[ ][ ][ ] 100010001001010100100 >=<




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2.5.2. Índices de Miller-Bravais del Sistema Hexagonal.

El sistema de Miller-Bravais se emplea con el fin de que en los cristales con simetría

hexagonal, tanto los planos como las direcciones tengan los mismos índices, siendo (hkil) lanotación para planos y [hkil] para direcciones.

§ Los índices h, k y / se calculan de la misma manera que en el sistema cúbico.§ La suma de los índices h y k tiene el valor de i cambiado de signo: i = —(h + k).

§ Esta igualdad permite obtener el cuarto índice en la notación Miller-Bravais.

En la figura de la derechase presenta el sistema decoordenadas de cuatro ejes de lacelda unidad del sistema

hexagonal. Tres de ellos au a2 y «3

se sitúan en el plano basal,formando ángulos de 120° entrecada uno de ellos; al eje perpendicular al plano basal se ledenomina z y se encuentralocalizado en el centro de la celdaunidad.



TEMA 3Defectos en la estructura cristalina. Solidificación de metales.

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Tema 3

Defectos de la estructura cristalina. Solidificación de metales.

3.1. Introducción.

En este tema se determinan los defectos que inexorablemente existen en las estructurascristalinas, fundamentalmente originados durante la solidificación del material, aunque muchosde ellos también se forman y desarrollan durante su utilización al ser sometidos a todo tipo deesfuerzos.

3.2. Imperfecciones cristalinas.

La estructura cristalina perfecta en realidad no existe, ya que contiene diferentes tiposde defectos o imperfecciones de red.

Las imperfecciones o defectos cristalinos se clasifican según su geometría y forma en:• Defectos de punto.• Defectos de línea.• Defectos de superficie.

3.3. Defectos de Punto.

Los defectos de punto son los defectos cristalinos más sencillos y se relacionandirectamente con los nudos de la red.

Este tipo de defectos se origina en una primera etapa durante la solidificación del

material, bien por la posición incorrecta de un átomo en un lugar no adecuado del cristal o por la ausencia de alguno de ellos en su correspondiente posición de equilibrio.

Por otra parte, también pueden originarse durante su procesamiento mediante forja,laminación, extrusión, etc.

Se clasifican de la siguiente manera:• Defectos Intrínsecos: .- Vacantes. (3.3.1)

.- Intersticiales. (3.3.2)

• Defectos Extrínsecos: .- Sustituciónales. (3.3.3).- Intersticiales. (3.33.)

3.3.1. Defectos Puntuales Intrínsecos. Vacantes.

Por su carácter intrínseco, se trata de defectos inherentes a la propia red del material

cristalino. Una vacante se produce cuando un átomo no ocupa su posición de equilibrio en

la red, dejando por tanto un hueco en la misma y generando una distorsión en su entorno.

En la parte izquierda se presenta lavacante en un plano de la red no distorsionado,

apreciándose únicamente el hueco; mientras que enla parte derecha, como consecuencia de laexistencia de la vacante, los átomos adyacentes seaproximan entre sí para ocupar el hueco generado por la misma, dando lugar a la distorsión de los

planos próximos.




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En buena parte de los metales, la relación entre el número de vacantes y el de átomos que

ocupan correctamente sus posiciones es del orden de 10"4.

3.3.2. Defectos Puntuales Intrínsecos. Intersticiales.

Este tipo de defectos es poco frecuente como consecuencia del impedimento que eltamaño de los intersticios impone.

3.3.3. Defectos Puntuales Extrínsecos.

Se trata de defectos puntuales de naturaleza externa, consecuencia de la presencia deátomos de impurezas o extraños al metal base en la red cristalina.

Si las impurezas se sitúan en los intersticios de la red se denominan intersticiales. Así,los átomos de elementos de pequeño radio atómico pueden alojarse fácilmente en los intersticios

sin apenas provocar distorsión en la red del material.

Si la impureza sustituye u ocupa una posición de equilibrio de la red del metal seconsidera un defecto sustitucional. Para que esto ocurra la impureza debe tener un tamaño,carga y estructura similar al sustituido.

• Tamaño: diferencia entre los radios atómicos de ambos tipos de átomos no debesuperar el 15%.

• Carga: se requiere que la diferencia de electronegatividades sea mínima.• Estructura: para que la solubilidad en estado sólido sea completa, ambos tipos deelementos deben presentar estructuras cristalinas similares.

3.4. Difusión en el estado sólido.

También los átomos pueden desplazarse internamente en el estado sólido, viéndosefavorecido este movimiento por la existencia de vacantes e intersticiales que son susceptibles de

El intersticio es el espacio libre entre losátomos que forman el cristal. Como es lógico,este espacio intersticial es mucho menor que el

propio volumen del átomo que forma la red, por loque si un átomo se sitúa de forma anómala en unode los espacios interatómicos genera un defecto puntual de naturaleza intersticial, provocando unazona deformada por distorsión expansiva de los

planos cristalográficos que le rodean.

Defectos puntuales, que son más habitualesen los materiales cerámicos:

.- Schottky: Se define como un par de defectosvacante-intersticio, de manera que se produce laausencia de los átomos/iones en sus posiciones deequilibrio..- Frenkel: Asocia un par vacante-intersticio de

modo que la especie ocupante del intersticio sesitúa en el intersticio contiguo, generando así un

defecto doble.




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moverse a través de la red, aunque a velocidades mucho más lentas. Por todo ello, para que

exista difusión en estado sólido se requiere la presencia de defectos puntuales en la red.

La difusión es un fenómeno de transporte que tiene lugar por el movimiento de losátomos en la red, bien por el mecanismo de migración de vacantes, o bien por un mecanismo

intersticial

La difusión en los materiales metálicos y sus aleaciones es particularmente importante.

Muchos son los procesos industriales basados en el fenómeno de difusión; entre losmás destacados se encuentran los tratamientos térmicos y los tratamientos superficiales, siendootro ejemplo significativo el dopado de semiconductores.

3.4.1. Mecanismos de difusión.

Los átomos pueden desplazarse por el interior de la red cristalina si la energía de

activación proporcionada por vibración térmica es suficiente y si existen defectos de red deltipo vacantes o intersticiales para establecer el camino de la difusión.

En los metales, las vacantes siempre están presentes y dispuestas a facilitar la difusión

sustitucional de los átomos, aumentando su número (n) a medida que se eleva la temperatura.

La difusión es un proceso térmicamente activado ya que la velocidad del procesoaumenta de modo exponencial con la temperatura, según la siguiente ecuación general:

La energía de activación Q es la barrera energética que hay que superar para que tengalugar el proceso de difusión.

Existen dos tipos:

3.4.1.1. Migración de Vacantes.

Un primer mecanismo de difusión tiene lugar mediante la migración de vacantes, de talforma que un átomo puede desplazarse desde su posición de equilibrio hasta la vacante más

próxima, siempre que disponga de la energía de activación suficiente, generándose un flujo de

vacantes en sentido contrario a su desplazamiento.

3.4.1.2. Migración de átomos intersticiales.

El otro mecanismo de difusión corresponde a los intersticiales, de modo que las

impurezas o elementos de aleación intersticiales pueden desplazarse a través de los intersticios




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de la red cristalina siempre que alcancen la energía de activación suficiente.

3.4.2. Leyes de Fick.

cualquier dirección, serán los gradientes de concentración de los distintos defectos los queestablezcan el flujo neto de los distintos defectos.

3.4.2.1. Primera Ley de Fick. Flujo estacionario.

D, es el coeficiente de difusión o número de átomos que atraviesa una sección unidad enla unidad de tiempo. También se le conoce como difusividad.

El signo negativo indica que la difusión se desarrolla desde elevadas a bajas

concentraciones de defectos/átomos.

El estado estacionario, en el que permanecen invariables las condiciones con el tiempo,

no tiene lugar en los materiales de mayor aplicación en ingeniería, mientras que sí lo tienecuando el régimen es no estacionario.

Se considera una barra de metal como larepresentada de forma esquemática en la figura, cuya

concentración volumétrica de defectos C, varía alo largo del eje x.

Si se aumenta la temperatura, al cabo de

cierto tiempo la concentración de defectos se

igualará por desplazamiento o difusión de los

mismos, en sentido de mayor a menor concentración,de forma que aunque cualquier átomo tiene la misma

probabilidad de moverse de forma aleatoria en

Cuando la concentración de defectos es

constante con el tiempo se considera régimen oflujo estacionario. En la figura se representan dossecciones de la barra de un metal formado por planos cristalográficos cuyas concentraciones endefectos son C, y C2, siendo C¡ > C 2 , en función dela distancia x, < x2.En estas condiciones se establece un flujo neto de

átomos o defectos desde el plano de mayor

concentración al de menor concentración, definidoor la «1 .

ale de Fick», se ún la ex resión:




5

3.4.2.2. Segunda Ley de Fick. Flujo NO estacionario.

El flujo no estacionario se presenta cuando la concentración de defectos varía con

el tiempo, siendo este el caso más general en ingeniería de materiales. Un ejemplo se tienecuando se difunde C a través de la superficie de una pieza férrea, en la cual la concentración

varía con el tiempo en cualquier punto conforme se desarrolla el mecanismo de difusión.

Esta ley permite calcular la concentración a una determinada distancia de la superficietranscurrido un determinado tiempo, o el tiempo necesario para alcanzar una determinada

concentración.

3.4.3. Factores que influyen en la difusión.

El coeficiente de difusión D de un sistema, cuya magnitud indica la velocidad dedifusión, depende de diferentes factores.

• Temperatura: Cuanto mayor sea la temperatura a la que se produce la difusión,mayor será la probabilidad de vencer las barreras de energía y por tanto, mayor será la

velocidad de difusión.• Mecanismo de difusión: Según sea por vacantes o por intersticiales influirá en el

coeficiente de difusión.

• Concentración: La influencia de la concentración sobre la difusión se explica, por unlado, por la variación de las fuerzas de cohesión afectadas por la composición químicadel material; por otro lado por la dirección de difusión, que no es al azar sino quetranscurre en el sentido que provoca un mayor descenso en la energía interna de red.• Estructura cristalina: Los diferentes factores de empaquetamiento, así como lasdistancias interatómicas que presentan las diferentes redes cristalinas, justifican la

mayor o menor facilidad de difusión o coeficiente de difusión.• Defectos cristalinos: La difusión es mayor en las zonas con mayor densidad dedefectos cristalinos.

3.5. Defectos de Superficie.

La propia Superficie del Cristal o

Superficie libre.

Las Superficies Inter Cristalinas o

Fronteras de Grano.

La superficie libre de un cristal es en símisma un defecto debido a que los átomos

superficiales de la red cristalina no estánsometidos a las mis mas fuerzas que los

interiores, ya que se encuentran con unamayor energía debido a que los enlaces delos átomos superficiales no han tenidolugar en su totalidad.

El defecto de superficie más importante en elcampo de los materiales es la frontera de grano,

superficie en la que se encuentran los cristales ogranos adyacentes con diferentes orientaciones

de red en un material poli-cristalino. Es decir,formado por una gran cantidad de cristales ogranos y que representa a la inmensa mayoría delos materiales metálicos utilizados.

Sea una barra sólida cuya

concentración inicial en el elemento que sedifunde es C0. Transcurrido un tiempo de

difusión t , la concentración del elemento

difundido en la dirección x también cambiaráhasta alcanzar el valor C x , siendo x la distanciaa la superficie




6

3.5. Solidificación rápida. Sintetización.

La solidificación rápida se conoce como el proceso de fabricación mediante laconsolidación de polvos de material. El material en forma de polvo se obtiene por enfriamientorápido del material fundido cuando se dirige un chorro del mismo sobre una rueda que gira

rápidamente en un medio refrigerado, obteniéndose el material en forma de partículas sólidas.En la figura 3.43 se presenta un esquema de este proceso.

Este polvo puede ser conformado mediante extrusión en caliente (figura 3.44) o

compactado dentro de un molde mediante el proceso de sinteri-zación (figura 3.45).

3.6. Técnicas para la inspección de defectos.

La detección e inspección de defectos en las piezas metálicas, forma parte de losensayos de materiales denominados no destructivos.

En la tabla se presentan algunos de los ensayos no destructivos más usuales.




7

3.6.1. Partículas magnéticas.

3.6.2. Líquidos penetrantes.

Para materiales no magnéticos, el ensayo de líquidos penetrantes sustituye al de partículas magnéticas en la detección de defectos superficiales.

Las etapas básicas del ensayo son la limpieza y preparación de la superficie de lamuestra, la aplicación del penetrante, la eliminación del exceso de líquido, el revelado y lainspección. En esta última etapa se ilumina la pieza con una lámpara de luz ultravioleta,revelando el líquido fluorescente la existencia de grietas.

3.6.3. Método eléctrico.

Uno de los métodos eléctricos más extendidos se basa en la aplicación de corrientes deFoucault para la inspección de defectos superficiales.

Para el caso de grietas superficiales muy finas que seencuentran en materiales metálicos magnéticos y que

escapan de la inspección visual, los ensayos mediante

partículas magnéticas son muy eficaces.La aplicación de finas partículas magnéticas sobre

la pieza bajo un campo magnético posibilita la manifestación

de grietas imperceptibles al acumularse sobre las mismas las partículas aplicadas. Este ensayo se basa en que en todos los

imanes las líneas de fuerza fluyen desde un polo a otro.

Si el imán es completamente cerrado, el flujomagnético está contenido en su totalidad dentro del círculo,ya que no existen polos.

Pero si este imán tuviera una grieta en su superficie

exterior, se interrumpiría el flujo uniforme de las líneas de

fuerza, teniendo que salir algunas de ellas, dando lugar a lacreación de un campo magnético con sus correspondientes

polos. Las líneas de fuerza que se ven forzadas a salir delimán, como resultado de la presencia de la grieta, se conocencon el nombre de fugas de flujo.




8

3.6.4. Radiografía por rayos s y gamma grafía.

La gammagrafía se utiliza en aquellos casos que requieran mayor poder de

penetración, como por ejemplo en piezas de gran espesor.

3.6.5. Ultrasonidos.

Este método utiliza una bobina que se alimenta por corriente

alterna induciendo corrientes deFoucault y a su vez se emplea para

explorar dichas corrientes. Un

cambio en la lectura al palpar lasuperficie de la pieza indicaría la

existencia de un defecto que altera

la resistencia eléctrica del material.

La detección de defectos internos requiere de

técnicas más potentes, siendo la más utilizadaindustrialmente la radiografía de rayos X basada en su

poder de penetración.Al irradiar una pieza, la existencia de poros o

defectos internos implica una variación en la absorciónde los mismos y en consecuencia se detecta en la

correspondiente radiografía con diferente contraste, tal

y como se puede observar en la figura.

La técnica de inspección más

moderna está basada en los ultrasonidos. Lautilización de ensayos por ultrasonidos permite detectar los distintos tipos dediscontinuidades, mediante la atenuación delflujo que las ondas ultrasónicas experimentanal interaccionar con los defectos presentes enel material.



TEMA 4Constitución de las Aleaciones Metálicas.

1

Tema 4

Constitución de las Aleaciones Metálicas.

4.1. Introducción.

4.2. Aleaciones Metálicas.

En las aplicaciones industriales no es frecuente encontrar metales puros, debidofundamentalmente a su elevado coste y a sus restrictivas propiedades. Sin embargo, en algunos

casos se dispone de ellos cuando se necesitan propiedades específicas, como por ejemplo en elcaso del Cu cuya conductividad eléctrica se ve afectada por la presencia de impurezas.

En general, los materiales metálicos se utilizan en forma de aleación (material base máselementos aleantes), ya que las aleaciones permiten mejorar las propiedades del metal base e

incluso obtener nuevas propiedades, lo que posibilita su mayor utilización. En general, las

propiedades mecánicas de una aleación metálica superan a las del metal base que la constituye.

Los sistemas de aleación más sencillos son los binarios , formados por dos elementoso componentes del sistema, de tal forma que el componente mayoritario de ellos siempre esmetálico.

Los sistemas de aleaciones no sólo son binarios, sino que normalmente estánconstituidas por más de dos elementos de aleación, dando lugar a aleaciones metálicas

ternarias, cuaternarias, etc

Durante la solidificación los elementos aleantes pueden incorporarse a la red cristalinadel metal base, y entonces se dice que son solubles en el estado sólido, o no incorporarse y en

cuyo caso se consideran como insolubles en el estado sólido.

Cuando los elementos que entran a formar parte de la aleación son solubles en el estado

sólido generan una solución sólida, siendo el solvente o metal base el que se encuentra enmayor cantidad, conservando su red cristalina; mientras que el soluto o aleante es el o son losque se encuentran en menor cantidad y se incorporan a la red del solvente.

La composición de una aleación se expresa generalmente en términos de concentración

en porcentaje de masa de los componentes.

Cuando dos o más metales se alean pueden dar lugar, fundamentalmente a:

·

Formación de soluciones sólidas.· Formación de compuestos intermetálicos.

4.3. Soluciones Sólidas. (Defectos de punto Intersticiales).

En función de la disposición de los átomos del soluto o aleante en la red del solvente ometal base, se distinguen dos tipos:

· Soluciones sólidas sustitucionales o de sustitución.

· Soluciones sólidas intersticiales o de inserción.




2

4.3.1. Soluciones sólidas sustitucionales o de sustitución.

En este tipo de soluciones sólidas, los átomos del metal base (solvente) ubicados en las posiciones de equilibrio de la red cristalina son sustituidos por átomos del aleante (soluto),mediante un proceso que se ve favorecido por la presencia de vacantes en la red. Se pueden

clasificar en dos tipos:

· Solución Sólida Desordenada: Cuando las sustituciones se producen al azar y losátomos del aleante ocupan en la red posiciones no repetitivas.

· Solución Sólida Ordenada: Los átomos de soluto se colocan siempre de forma

ordenada en la misma posición de la red

La posibilidad de que dos metales formen soluciones sólidas de sustitución cuando sealean está fuertemente condicionada por el volumen atómico de los elementos que forman

la aleación. No obstante, se establecen cuatro factores a analizar entre los elementos queentran en la aleación y que permiten determinar la posibilidad de formación de este tipo de

soluciones.· Factor tamaño.

· Factor electroquímico.

· Factor valencia.

· Factor red cristalina.

.- Factor Tamaño.

Puede definirse como la condición necesaria para que un elemento pueda alojarse en los

nudos o posiciones de equilibrio de la red cristalina de otro, siendo necesario que la diferencia

de radios atómicos de ambos no difiera en más del 15%.

Si la diferencia de radios atómicos es muy acentuada la red cristalina se distorsiona ensentido expansivo o contractivo, existiendo en ambos casos ciertos límites de distorsión quedeterminan la posible formación de la solución sólida.

.- Factor Electroquímico.

El factor electroquímico condiciona la solubilidad de ambos, ya que cuando lasdiferencias de electronegatividad son importantes, puede provocar la formación decompuestos definidos en lugar de soluciones sólidas.

La solubilidad entre los elementos se ve favorecida cuanta más semejanza exista entre lasconfiguraciones electrónicas de ambos componentes.

.- Factor Valencia.

Si la valencia del solvente y del soluto son iguales existe amplia solubilidad y en caso contrario

esta se restringe.

Metal base disuelve MAYOR cantidad de soluto si:

· Presenta valencia baja.

· El soluto presenta valencia mayor que el metal base.




3

Metal base disuelve MENOR cantidad de soluto si:

· Presenta valencia alta.

· El soluto presenta valencia menor que el metal base.

.- Factor Red Cristalina.

Establece que es fundamental para una solubilidad total de ambos elementos laigualdad de redes cristalinas.

4.3.1. Soluciones sólidas intersticiales o de inserción.

Este tipo de soluciones sólidas, también llamadas de inserción, tienen lugar cuando losátomos del aleante o soluto ocupan los intersticios de la red del metal base o solvente.

La posibilidad de formación de este tipo de solución esta en función:

· De la relación de los radios atómicos.

· Del tipo de red cristalina.

Los factores anteriores están estrechamente ligados, ya que cada tipo de red cristalina

soportara un factor tamaño distinto.

.- Red Cúbica Centrada en las Caras (ccc).

.- Red Hexagonal Compacta (hc).

Se observa un comportamiento similar al de la cúbica centrada en las caras (ccc).

.- Red Cúbica centrada en el Cuerpo (cc).

Los intersticios son muy pequeños y es difícil la formación de este tipo de soluciones.

El diámetro máximo del átomo de soluto

que puede insertarse en los intersticios de la red(ecc) es el 41% del diámetro del solvente.

Esto significa que se formarán soluciones

sólidas intersticiales sin distorsión en la red,

siempre que se cumpla la formula de la derecha;

siendod

yD

los diámetros atómicos del soluto ysolvente, respectivamente.

Por encima de 0,41 se producirá distorsiónen la red, siendo el valor máximo observado

experimentalmente de 0,59.

Si todos los factores analizados son favorables, cabe esperar una solubilidad total de

los elementos que forman parte de la aleación. Si algún factor resulta desfavorable lasolubilidad será parcial, siendo el factor tamaño el que proporciona un carácter crítico.

Cuando el número de factores desfavorables aumenta, hay que esperar mayor insolubilidad, lo que se traduce en la formación de compuestos intermetálicos.




4

Se encuentra que la relación de diámetros atómicos para el posible intersticio en este

tipo de red es de:

lo que justifica la baja solubilidad que tiene lugar cuando la red es (cc).

4.4. Compuestos y Soluciones Intermedias.

En los sistemas de aleación se pueden presentar tanto soluciones sólidas comocompuestos intermedios. Algunos metales pueden combinarse con otros elementos para dar

lugar a ciertos compuestos cuya característica principal es que combinan las propiedades delenlace metálico junto con las del iónico o covalente y se denominan compuestos intermedios.Cuando ambos elementos son metales se denominan compuestos intermetálicos.

Los compuestos intermedios se caracterizan por presentar una concentración fija y

determinada.Todos ellos presentan extremada dureza, elevado punto de fusión y son frágiles .

4.5. Soluciones Sólidas Ordenadas.

En las soluciones sólidas de sustitución, los átomos de soluto pueden ocupar posicionesidénticas a lo largo de la red. Cuando esto ocurre se dice que la solución sólida está ordenada.

Estas soluciones solo son estables a bajas temperaturas y no se forman durante la

solidificación sino durante el enfriamiento dentro del estado sólido y cuando la velocidad

de enfriamiento, en general, es lo suficientemente lenta.

4.6. Insolubilidad.

No siempre un elemento es soluble en la red de otro, como es el caso de Al en Pb; Bi en

Cu o Pb en Fe. Cuando las densidades son próximas se originan emulsiones, de manera quela aleación está constituida por partículas globulares de uno de ellos en la matriz del otro.

En general, la insolubilidad puede ser aprovechada con el fin de mejorar la

maquinabilidad de ciertas aleaciones, ya que crea discontinuidades en el material base quefavorecen la rotura de las virutas producidas durante el mecanizado.

29,0=

D

d



TEMA 5Propiedades mecánicas de los materiales. Ensayos.

1

Tema 5

Propiedades mecánicas de los materiales. Ensayos..

5.1. Introducción.

En este tema se determinan los defectos que inexorablemente existen en las estructurascristalinas, fundamentalmente originados durante la solidificación del material, aunque muchosde ellos también se forman y desarrollan durante su utilización al ser sometidos a todo tipo deesfuerzos.

5.2. Deformación dependiente y no dependiente del tiempo.

DEFORMACION ELASTICA

1º: Se aplica fuerza; Deformación Instantánea.

2: Deformación se mantiene en el tiempo.3º: Desaparece fuerza; Material recupera su forma originalInstantáneamente..- Deformación será reversible e independiente del tiempo, des-apareciendo cuando se retira la carga aplicada.

DEFORMACION VISCOELASTICA

1º: Se aplica fuerza; Deformación crece con el tiempo.

2º: Desaparece fuerza: Material recupera su forma original, progresivamente, NO de forma inmediata.

.- La deformación viscoelástica puede considerarse como la

deformación elástica dependiente del tiempo.

DEFORMACION PLASTICA NO ESTA REPRESENTADA COMPONENTE ELASTICA.

1º: Respuesta inmediata del material cuando aparece la carga.2º: Cuando desparece la carga, la deformación permanececonstante.

.- Materiales Metálicos.

Si se somete un material metálico, por ejemplo una probeta deensayo con forma cilíndrica, a una fuerza a lo largo de su eje, elmaterial se deforma en la dirección de la fuerza aplicada, alargándose

una cierta longitud AL, tal y como se puede observar en el esquemade la figura.

Dependiendo de diversos factores, tanto intrínsecos al mate-rial como extrínsecos al mismo el material experimenta una

deformación que puede ser o no permanente, y depender o no deltiempo.

Se realiza un ensayo mecánico en el que durante un tiempo t 0

se somete la probeta cilíndrica a una fuerza constante uniaxial2

F0.Una vez transcurrido el tiempo t Q se suprime la fuerza y se

observa la evolución de la deformación con el tiempo.Cuatro tipos de comportamientos ideales frente a la acción

de aplicar y suprimir instantáneamente una fuerza constante.




2

DEFORMACION VISCOPLASTICA NO ESTA REPRESENTADA COMPONENTE ELASTICA.

1º: Se aplica la fuerza: la deformación NO es inmediata, es

progresiva.2º: Cuando desaparece la fuerza, la deformación permanece

constante.

El segmento OA corresponde a la suma de lasdeformaciones elástica y plástica no dependientes del

tiempo. El tramo AB es la suma de las deformacionesdependientes del tiempo, es decir viscoelástica y

viscoplástica. Una vez descargado el material para t = t 0 ,

el intervalo BC corresponde a la recuperación de lacomponente elástica y el CD a la de la viscoelástica. Por último, la deformación permanente en el material DE es lasuma de las componentes plástica y viscoplástica.

5.3. Deformación NO dependiente del tiempo.

En este apartado se describen aquellos ensayos mecánicos en los que la deformación producida durante los mismos no depende del tiempo.

5.3.1. Ensayo de Tracción.

De este ensayo se obtienen valores como:

· Modulo de elasticidad.

· Limite elástico.

· Resistencia a la tracción máxima y de rotura (que da lugar a la resistencia mecánica).

· Ductilidad.

· Resilencia.

· Tenacidad.

· Tensión y deformación reales.

· Coeficientes de Poisson.

· Tensión y deformación de cizalladura.

En la figura se presenta el esquema de una probeta cilíndrica mecanizada empleada en

los ensayos de tracción, en la que los extremos de la probeta, denominados cabezas, tienenmayor sección y se sujetan a las mordazas de la máquina de ensayo. La parte central de la probeta, que presenta sección uniforme, se denomina longitud útil L, siendo d el diámetro de lasección útil y r el radio de acuerdo, cumpliéndose normalmente que L > 5d . Al ser esta zonamucho más delgada que la de las cabezas, la fractura se produce en ella por ser su parte más

débil.




3

Las probetas que se someten al ensayo de tracción pueden ser de sección circular,cuadrangular, rectangular, etc, pero siempre manteniendo la relación entre sección y

longitud según lo establecido en la norma correspondiente.

El ensayo de tracción es de tipo destructivo puesto que la probeta termina deformándose

plásticamente hasta alcanzar su rotura.

En la figura se puede ver la curva fuerza-alargamiento:

Se define la deformación ingenieril ε, como el alargamiento producido por unidad delongitud inicial, es decir:

La deformación ingenieril tiene carácter adimensional y también suele expresarse entanto por ciento.

Como se puede observar, para pequeñas tensiones la deformación depende

linealmente de la tensión. A esta zona, desde el punto de vista práctico, se la conoce comozona de deformación elástica y en ella tensiones y deformaciones obedecen la ley de Hooke,cumpliéndose que:

La pendiente de la zona lineal que relaciona la tensión aplicada y la deformación

producida es el módulo de elasticidad o de Young E . Este módulo indica el grado de rigidez

del material, lo que está directamente relacionado con la resistencia a la deformación elástica,cumpliendose que:

En la máquina de ensayo universal enla que se realizan los ensayos de tracción, lasmordazas están unidas a los dos travesañosde la máquina, uno de los cuales es móvil.

Conectado a uno de los travesaños seencuentra un sensor, denominado célula de

carga, que mide la fuerza que se ejerce sobrela probeta en cada momento. Delconocimiento en cada instante delalargamiento frente a la fuerza se obtiene la

curva fuerza-alargamiento.

Con el fin de minimizar los efectosgeométricos de la probeta de ensayo se utilizan las

tensiones y deformaciones ingeniériles σ y ε.

La tensión ingenieril σ se define como la

fuerza aplicada F dividida por la sección inicial delcilindro A0:

)/(/ 2

0 mm N MPa A F ==s

00

0

L

L

L

L L D=

-=e

)/(/ 2

0 mm N MPa A F ==s

e s E =

: E Material Rígido.

:̄ E Material Elástico.




4

Concepto de rigidez específica: se utiliza en la selección de materiales y se define

como el cociente entre el módulo de elasticidad del material y su densidad.

Cuando el valor de la tensión sigue aumentando, llega un momento en el que se alcanzael límite elástico, se pierde la dependencia lineal y entra la deformación de la probeta en el

régimen plástico.

.- Limite Elástico.

Desde el punto de vista ingenieril, y para obviar las dificultades en la concreción del

valor del límite elástico proporcional, se utiliza el denominado límite elástico convencional

Este valor, que puede ser medido con una gran reproducibilidad, se calcula

construyendo una paralela a la porción lineal inicial de la curva σ-ε , pero desplazada un valor de ε = 0,002 (es decir un 0,2%). El límite elástico convencional, en lo sucesivo denominado por simplicidad límite elástico (aunque estrictamente hablando sea diferente), se define como la

tensión a la cual intersecta dicha paralela con la curva tensión-deformación (ver figura5.7), se le suele designar como σ y o σ 02 y representa la tensión necesaria para producir unadeformación permanente del 0,2%.

.- Resistencia a la tracción.

útil de la probeta. Una vez superado este punto se empieza a formar la estricción o reducción

de la sección en una zona localizada de la probeta que es la que soporta la carga aplicada.A partir de ese momento la deformación se limita a esa zona y la tensión

necesaria para que prosiga la deformación va disminuyendo hasta que se alcanza la rotura, que precisamente ocurre dentro de dicha zona.

)/.( kg m N E

K e r

=

El diseño de estructuras sólo permite que existadeformación elástica como respuesta a la tensiónaplicada.

Por tanto, resulta de gran interés conocer elnivel de esfuerzo máximo que es posible aplicar sin

que se alcance la deformación plástica. En principio,dicho esfuerzo correspondería al punto en que se

rompe la linealidad en la curva σ-ε, denominada

límite elástico proporcional.

Una vez superado el límite elástico, la tensiónnecesaria para continuar la deformación plástica aumentahasta que se alcanza un máximo (punto R en la figura), para luego disminuir hasta alcanzar la fractura (punto F de la misma figura). La tensión correspondiente al punto

R se denomina resistencia a la tracción o resistencia

máxima.Antes de llegar al punto R la deformación

sufrida por la probeta es uniforme; es decir, que lareducción de sección es la misma a lo largo de la longitud




5

Resistencia específica: expresa la relación entre la resistencia máxima y la densidad del

material.

.- Ductilidad. (Material Dúctil, opuesto a material Frágil).

Es una medida de la cantidad de deformación plástica que es capaz de soportar elmaterial antes de romperse. Un material que experimenta muy poca o nula deformación plásticaantes de la rotura recibe el nombre de frágil y en general, no es deseable.

La ductilidad se describe por medio de dos parámetros que son el alargamiento (A%) y la

reducción de área o estricción (Z%).

El alargamiento se define como el aumento de longitud experimentado por la probeta

durante el ensayo.

La reducción de área o estricción Z expresa la disminución de sección queexperimenta la probeta en la zona de fractura, midiéndose dicha reducción después de unir las

dos partes de la probeta una vez rota:

TIPOS DE FRACTURAS

Ductiles Fragiles

Lenta propagación de la Grieta Rápida propagación de la Grieta

Intensa deformación plástica Poca deformación plástica

Fractura tipo Copa-Cono. Fractura plano cristalográfico.

.- Resilencia. (MAGNITUD, NO PROPIEDAD. Ligado al limite elástico).

)/.( kg m N R

Re r

=

0

0

0

100100100% L

L L

L

L A

f

f

-=

D== e

εf : Deformación convencionalL0: Longitud inicial.LF: Longitud Final.

A0: Sección Inicial probeta en zona de fractura.

AF: Sección Final probeta en zona de fractura.0

0 )(100%

A

A A Z F -

=

La resiliencia es la capacidad que presenta un

material para absorber energía cuando es deformadoelásticamente y devolverla cuando la carga deja de

aplicarse. Se mide mediante el módulo de resiliencia U Rque se define como la energía de deformación por unidadde volumen que se necesita para llevar el material desde

la tensión cero hasta el límite elástico convencional del0,2%.

El módulo de resiliencia se define con una integral, pero como no he dado todavía calculo, no la describo.




6

En la figura se presenta la parte de la curva tensión-deformación de un ensayo de

tracción hasta alcanzar una deformación del 0,2%. El área sombreada corresponde al módulo

de resiliencia.

Ejemplo: Muelles Mecanicos.

.- Tenacidad.

La tenacidad de un material es la capacidad que tiene para absorber energía en el campo

plástico.

Tenacidad proporciona una medida de la energía necesaria para deformar plásticamentey romper un material.

Se pueden tener dos tipos de tensiones:

· Tensiones dinámicas, en las que las velocidades de deformación son elevadas o existenentallas en las que se concentran las tensiones, se utilizan ensayos de impacto para calcular

la tenacidad

· Tensiones son estáticas, es decir con baja velocidad de deformación, la tenacidadse puede conocer a partir de los ensayos de tracción.

.- Tensión y deformación reales.

De la figura parece deducirse que una vez sobrepasado el máximo R, la tensióndisminuye debido a que el material se hace más débil. Esto último no es realmente cierto, ya quea partir de ese punto la sección de la probeta en la zona de estricción disminuye por lo que latensión real, esto es la fuerza aplicada dividida por la sección instantánea, aumenta con la defor-mación:

.- Coeficiente de Poisson.

En un ensayo de tracción el área encerrada bajo

la curva tensión-deformación define la tenacidad del

material, pudiéndose fácilmente comprobar que el áreaserá mayor cuanto mas grande sea la combinaciónresistencia-ductilidad y por lo tanto más elevada será sutenacidad.

Combinaciones de elevadas resistencias con bajas ductilidades o de elevadas ductilidades con bajas

resistencias conducen a tenacidades bajas.

)/ A F R =s

Al deformarse elásticamente un materialsegún un eje longitudinal, se produce un cambio

simultáneo en las dimensiones del mismo; es decir, se produce una contracción transversal asociada alalargamiento natural que genera toda tensión de tracción.

El efecto de contracción producido se caracterizamediante el coeficiente de Poisson.

Aunque el coeficiente de Poisson no tiene presencia alguna en la curva a-e, describe junto con el

módulo elástico el comportamiento elástico de losmateriales utilizados en ingeniería.




7

Se denomina Coeficiente de Poisson:

.- Tensión y deformación de cizalladura.

La tensión de cizalladura, τ, se define como:

5.3.2. Ensayo de Compresión.

z

y

z

xve

e

e

e -=-=

Además de las deformaciones que se hanestudiado hasta ahora bajo tensiones uniaxiales detracción, en los materiales metálicos se dan otras formas

de deformación que están relacionadas con la acción que

ejercen a pares las tensiones de cizalladura ocortadura.

S

S

A

F =t

FS: Fuerza aplicada sobre la probetaAS: Sección de la probeta paralela a la

dirección de aplicación de la fuerza

z tg

D== q g

La tensión de cizalladura origina una distorsión θ

relacionada con la deformación de cizalladura γ , según lasiguiente expresión:

g

t

=G

El módulo de cizalladura o de rigidez G se define

como:

)1(2 vG E +=El módulo elástico E y el de cizalladura G se

relacionan, siempre que las deformaciones sean pequeñas, através del coeficiente de Poisson del siguiente modo:

En el ensayo de compresión también

se obtiene la curva tensión-deformación acompresión.

El ensayo de compresión caracterizael comportamiento de un material sometido auna carga de compresión progresivamentecreciente en una máquina universal deensayos hasta la rotura o aplastamiento de la probeta normalizada según sea el tipo dematerial ensayado (Material frágil rompe,

material dúctil puede no romper).La forma de las probetas debe estar

normalizadas, siendo la probeta normal para

materiales metálicos un cilindro cuya alturaes igual al diámetro, tal y como se representaen el esquema de la figura




8

5.3.3. Ensayo de Flexión.

En este tipo de ensayos, el módulo de rotura MDR corresponde al parámetro de

resistencia a flexión y se calcula a partir de los datos obtenidos en el ensayo de flexión,resultando que:

5.3.4. Ensayo de Dureza.

La dureza es la medida de la resistencia que un metal opone a la deformación plásticalocalizada en su superficie.

Los ensayos de dureza han experimentado un gran desarrollo en la práctica ya que sonsencillos, rápidos y en general no destructivos.

Se utilizan diversos métodos para realizar ensayos de dureza por penetración estática,como son Brinell, Rockwell y Vickers, marcando la diferencia entre ellos en:

· La forma del indentador.

· La carga aplicada en el ensayo.

· Modo de presentar los resultados.

Los materiales de los indentadores, se fabrican de acero endurecido, de carburo dewolframio o de diamante, presentando formas geométricas de:

· Esfera en el ensayo Brinell.

· Cono y esfera en el Rockwell.

· Pirámide en el Vickers.

.- Procedimiento de los Tipos de Ensayo de Dureza.

Dureza Brinell Dureza Rockwell Dureza Vickers

Consiste en aplicar unacarga F a través de unindentador de bola quegenera una huella en la

superficie de una probeta,midiéndose el diámetrode

dicha huella después deretirar la carga aplicada.

Consiste en generar una huella en la probeta a ensayar, mediante laaplicación de dos cargas sucesivas,la precarga y la carga, con un

indentador de diamante con formade cono o de acero de forma

esférica, midiendo a continuación la profundidad de la huella producida.

Consiste en aplicar una carga através de un indentador degeometría piramidal quegenera una huella sobre la

superficie de la probeta,midiéndose la diagonal de

dicha huella una vez retirada lacarga aplicada.

Este ensayo mide la deformación del eje de la pieza o la flecha que se produce en el centro de la probeta, donde alcanza un valor máximo, obteniéndose

una curva esfuerzo-deformación a flexión con suscorrespondientes parámetros.

22

3

eh

FLMDR =

F: Fuerza aplicada sobre la probetaL, e y h: Son las dimensiones que semuestran en el esquema de la figura.

En la figura se esquematiza lasecuencia que se sigue en un ensayo de

dureza.




9

.- Expresión de los Resultados en los Tipos de Ensayo de Dureza.

Dureza Brinell

350HB 5/750/15(Dureza Brinell de valor 350, con un indentador de bola de diámetro 5

mm, bajo una carga de7,35 kN aplicada durante

15 s)

Se expresa el resultado con el símbolo HB precedido por elvalor de dureza y seguido por un índice que precisa las condiciones

de ensayo en el orden siguiente:· El diámetro de la bola en milímetros.

· La carga empleada en el ensayo en kilopondios

· La duración de la aplicación de la carga en segundos, si estadifiere del tiempo especificado

Dureza Rockwell

59 HRC(Dureza Rockwell de

valor 59, medida en una

escala C, indentador decono y carga de 150 kg)

La dureza Rockwell (escalas A, B, C, D, E, F, G, H, K...) sedesigna por el símbolo HR, precedido por el valor de la dureza y

completado por una letra que indica la escala o condiciones derealización del ensayo, geometría del indentador y carga aplicada.(Existe una tabla para poder identificar los valores)

Dureza Vickers

640HB 30/20(Dureza Vickers de 640,

determinada bajo unacarga de ensayo de 294,2 N aplicada durante 20 s)

Se expresa mediante el símbolo HV precedido por el valor

numérico de la dureza, completada con un número convencionalrepresentativo de la carga de ensayo y del tiempo de aplicación de lacarga en segundos, si es diferente del especificado en la norma.

Condiciones normales de tiempo de ensayo: Entre 10 y 15 s.

.- Ensayos de Microdurezas.

Este tipo de ensayos se caracteriza por aplicar cargas mucho menores que en los

ensayos de dureza presentados con anterioridad, ya que no superan los 1.000 g. En los ensayosKnoop y Vickers se utilizan pequeños inden-tadores piramidales de diamante.

Al ser muy importante la medida exacta de la huella es necesario preparar

adecuadamente la muestra mediante el correspondiente desbaste seguido del adecuado pulido.

La determinación de perfiles de dureza reviste gran importancia en el campo de los

materiales metálicos, dado que permiten la comparación de las microestructuras que

caracterizan los distintos estados de los materiales, como consecuencia de los tratamientostérmicos y/o mecánicos a los que son sometidos.

5.3.5. Ensayo de Impacto.

El ensayo de impacto tiene por finalidad la determinación de la energía absorbida

por una probeta de determinadas dimensiones al romperla de un solo impacto . Lainformación obtenida es importante para conocer el comportamiento del material destinado a lafabricación de determinadas piezas que han de someterse a cargas dinámicas.

Mediante la realización de ensayos de impacto en péndulos tipo Charpy, en los que lavelocidad de deformación es muy alta, se mide de un modo práctico la tenacidad que presentan los materiales metálicos, pudiéndose conocer a partir de ellos la temperatura de

transición dúctil-frágil cuando estos ensayos se realizan en un cierto intervalo de temperaturas.

La realización de este ensayo consiste en situar la probeta apoyada en dos puntos con laentalla en la parte posterior del impacto, elevar la maza del péndulo, dejarla caer para queimpacte sobre la probeta y así producir su rotura, de tal forma que la energía absorbida por la




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misma se registra a partir de la altura alcanzada por el martillo después del impacto. La dife-

rencia entre las energías medidas antes y después del choque es la energía absorbida por la probeta. Cuanto mayor es la energía absorbida más dúctil es el material o mayor tenacidad tieney por el contrario, cuanta menos energía absorbe más frágil o menos tenaz es.

5.3.6. Ensayo de Fatiga.

La fatiga en un material tiene lugar cuando está sometido a cargas cíclicas con una

determinada frecuencia, de forma que el material puede romper aunque la carga máxima a queestá sometido sea muy inferior al límite elástico obtenido por tracción. Los fallos por fatiga sonde gran importancia, ya que es la causante de alrededor del 90% de los fallos en servicio.

Las condiciones básicas para que tenga lugar una rotura por fatiga son:

• Que la tensión máxima aplicada alcance valores elevados.

• Que se produzcan fluctuaciones intensas en la tensión aplicada.• Que el número de ciclos sea suficientemente importante.

Se denomina resistencia a la fatiga al nivel de tensión por debajo del cual no se producela rotura para un determinado número de ciclos.

. Normalmente, el límite de fatiga de un material se sitúa en torno al 40-50% de su

resistencia a la tracción.

En general, el fallo por fatiga se produce como consecuencia del crecimiento de una

grieta que se origina en la superficie de la probeta y se propaga hacia su interior.



TEMA 6Aleaciones Férreas de Interés Industrial

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Tema 6

Aleaciones Férreas de Interés Industrial.

6.0. Aleaciones Férreas.

.- Fe es su principal componente.

.- Aplicación más grande de todos los metales debido a:

· Compuestos de Fe son muy abundantes en la naturaleza.

· Procesos necesarios para llegar a su conformación son muy económicos.

.- La mayoría de las aleaciones férreas son aceros al Carbono o de Baja Aleación.

.- Clasificación General (según su contenido en C).

Aceros Fundiciones

0,05 < C < 2,11 % 2,11 < C < 4,5 %

6.1. Aceros.

6.1.1. Clasificación de los Aceros.

.- Clasificación General (según composición, porcentaje de impurezas).

Aceros al Carbono. Aceros Aleados.

Aleación Fe-C con contenidos en C entre0,05 y 2,11 %, aunque generalmente no sesobrepasa el 1,4% C.

Están constituidos, además de por hierroy C, por otros elementos denominados

«impurezas» que son considerados así siempreque no sobrepasen las cantidades siguientes: Si <

0,3%; P < 0,04%; S < 0,05%; encontrándose elMn en cantidades que oscilan entre 0,25 y 1%.

Los aceros aleados son aquellos queademás de hierro y C y sus impurezas enlas cantidades citadas, contienen otros

elementos incorporados a la aleación en

mayor o menor cantidad, tales como Ni,

Cr, Mo, V, Si, Cu, Al, W, Co, Ti, Zr, Pb yB con el fin de conferir otras propiedades

al acero

6.1.1.1. Aceros al Carbono.

En los aceros al carbono el único elemento que está presente junto al hierro de formasignificativa es el C, mientras que las impurezas, P, S, Mn y Si, generan diferentes efectos sobre

las propiedades del acero.

ELEMENTO PROPIEDADES COMPOSICION

Fósforo Endurecedor del Acero. < 0,04 %

AzufreForma con el hierro el sulfuro FeS, que se segrega en

las fronteras de grano provocando fragilidad.< 0,05 %

ManganesoUno de los motivos de añadir Mn a los aceros es evitar

la formación de FeS.S x 8

Silicio Efecto Antioxidante.




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.- Clasificación (según su porcentaje de C).

TIPO COMPOSICION

.- Aceros de BAJO contenido en carbono sin Alear. < 0,25 % C

PropiedadesExcelentes valores de Tenacidad y Ductilidad.

.- Aceros de MEDIO contenido en carbono sin Alear. 0,25 < C < 0,6 %

PropiedadesBaja templabilidad, pudiéndose tratar térmicamente mediante temple yrevenido.

.- Aceros de ALTO contenido en carbono sin Alear. 0,6 < C < 1,4 %

PropiedadesAumento de la resistencia y la dureza, acompañado de la reducción deductilidad.

En general, los aceros al carbono se utilizan cuando no se requieren elevadas prestaciones mecánicas y medioambientales, pero en las que el coste es un factor importante.

6.1.1.2. Aceros Aleados.

Un acero aleado puede definirse como aquel cuyas propiedades características se

deben a algún elemento de aleación diferente del C, siendo alguno de sus objetivos:

· Mejorar la resistencia mecánica a las temperaturas más usuales.

· Mejorar las propiedades mecánicas tanto a altas como a bajas temperaturas.

· Mejorar la tenacidad.

· Aumentar la templabilidad.

· Aumentar la resistencia al desgaste.

· Aumentar la resistencia a la corrosión.

Los elementos de aleación más característicos en estos aceros son: Cr, Mo, Si, V, W, Ti,Al, Mn, Ni, Co y Cu, pudiéndose clasificar en dos grupos: alfágenos y gammágenos.

TIPO COMPONENTES

Alfágenos Cr, Mo, Si, V, W, Ti, P, y Al.

Gammágenos Mn, Ni, Co y Cu

A continuación se presentan las características más destacadas de alguno de los

elementos de aleación más utilizados y aquellos tipos de aceros en los que están presentes.

ELEMENTO PROPIEDADES

Cromo

Elemento de aleación más empleados para la fabricación de aceros aleados.Mejoran las propiedades a altas temperaturasResistencia a la corrosión de los aceros

Molibdeno

Resistencia mecánicaTemplabilidad

Resistencia a la fluencia

VanadioAleante mas caro.Potente Desoxidante.

Wolframio

Bastante caro.Para herramientas, trabajar a temperaturas elevadas.

Presente en Aceros Inoxidables.Titanio Evita la Corrosion Intergranular.




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ELEMENTO PROPIEDADES

MagnesioAumenta la resistencia y la dureza.Reduce la fragilidad en caliente.

Niquel Aumento de la tenacidad.

Cobalto Aumenta la dureza y la resistencia.

.- Clasificación (según su porcentaje de Aleantes).

TIPOS % Aleantes

Baja aleación. < 5 %

Alta aleación. > 5 %

6.1.1.2.1. Aceros de Baja Aleación.

TIPOS Propiedades

Bajo contenido en C Mejora Resistencia mecánicaMejora Resistencia a la Corrosión

Medio contenido en CSe aplica para componentes que requieren buena

resistencia mecánica, y Tenacidad.

Alto contenido en C

Fabricación de herramientas de corte y matrices.Buenas Resistencia al Desgaste.Alta Indeformabilidad.Gran Dureza.

6.1.1.2.1. Aceros de Alta Aleación.

En general, los aceros se definen de alta aleación cuando contienen más de un 10% deelementos de aleación. Su campo de aplicación se encuentra en aquellas situaciones en las quese requieran mejores propiedades.

.- Aceros Inoxidables.

El hierro puro o aleado sufre una fuerte corrosión debido a que el óxido superficial no eslo suficientemente denso y adherente como para proteger el interior del material. Algunosmetales como Al y Cr desarrollan, por reacción con el O del aire, una capa de óxido protectoraque se transmite al metal base de la aleación cuando se encuentran aleados en la proporción

adecuada.Están constituidos, fundamentalmente por hierro, C, Cr y Ni, clasificándose en

ferríticos, martensíticos y austeníticos, en función de la estructura dominante.

TIPOS Propiedades Aplicaciones

Martensíticos

Los más baratos y durosBuena resistencia a la corrosiónAlta resistencia y tenacidad razonable

Bolas de Rodamientos

Ferríticos

Propiedades mecánicas con valores medios

Corrosión intermedia entre martensíticos yausteníticos.

Depósitos en Industrias

Quimicas y Alimentarias.

AusteníticosElevada resistencia a la corrosión.

Fácil confor-mabilidad y soldabilidad.

Industrias quimicas,

nucleares, navales…




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6.2. Fundiciones.

Las fundiciones son aleaciones férreas que presentan un contenido en C entre 3 y

4,5%. El Si está presente en contenidos de hasta un 3%. Además, contienen otros elementostales como Mn, P y S.

Presentan una temperatura de fusión entre 1.150 y 1.300 °C, que es bastante menor

que la de los aceros lo que hace que fundan y se moldeen con bastante más facilidad que ellos.

.- Propiedades.

· Baja Ductilidad.

· Excelente Fluidez y Colabilidad.

· Resistencia mecánica baja.

· Coste menos que el acero.

Existen diferentes tipos de fundiciones que presentan distintos niveles de resistencia y

que pueden clasificarse según la microestructura que presentan en estado sólido, que a su vezdepende de factores tales como:

· Contenido en C.

· Velocidad de enfriamiento.

· Contenido en Si o en elementos grafitizantes.

· Tratamientos térmicos.

.- Clasificación General (según composición, porcentaje de impurezas).

Fundiciones Ordinarias. Fundiciones Aleadas.Contienen hierro, C y Si y otros

elementos considerados impurezas P, S y Mn.

La composición límite para considerar una fundición como ordinaria o no aleada es

aquella cuyos contenidos se encuentran en lossiguientes márgenes: C (1,8-4,5); Si (< 3);Mn (< 1,5); P (< 1,8); S (< 0,25); Ni (< 0,3);Cr (< 0,2); Mo (< 0,1); V (< 0,1); Cu (< 0,3);Ti (< 0,1) y Al (< 0,1).

Las fundiciones aleadas, además de loselementos presentes en las ordinarias,contienen otros elementos de aleación tales

como Ni, Mo, V, Cu, Cr, Sn y Al que

mejoran propiedades tales como resistenciamecánica, al desgaste o frente a la corrosión, yen cualquier caso aportan característicasespeciales a las mismas.

6.2.1. Clasificación de las Fundiciones.

La clasificación de las fundiciones se efectúa en función de la microes-tructuraresultante al enfriar a distintas velocidades el material fundido. Así, para una mismacomposición química de una fundición su microes-tructura final dependerá de la velocidad deenfriamiento experimentada durante su fabricación.

TIPOS CARACTERISTICAS COMPOSICION

BlancasVelocidades Altas de Enfriamiento. C < 3%

Si <1%

GrisesVelocidades Moderadas de Enfriamiento. 2,5< C < 4%

1 < Si < 3%Dúctiles

Incorporación en el caldo durante el proceso de

fabricación de ciertos elementos como Ce o Mg

2,5< C < 4%

1 < Si < 3%




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TIPOS CARACTERISTICAS COMPOSICION

Maleables

Cuando las fundiciones blancas pueden grafitizarse

mediante un tratamiento térmico (calentamiento a 700 °Cdurante un mínimo de 30 horas)

C < 3%

Si <1%

6.2.1.1. Fundiciones Blancas.

Se dan cuando una fundición con un contenido bajo en C (inferior al 3%) se enfría muy

rápidamente desde el estado líquido o cuando su contenido en Si es bajo (inferior al 1%).

.- Clasificación.

· Ordinarias.

· Aleadas.o Alta Aleación.o Baja y media Aleación.

TIPOS CARACTERISTICAS PROPIEDADES APLICACIONES

Ordinarias

Presencia masiva delcarburo Fe3C

.- Materiales muy duros.

.- Muy resistentes a la abrasión.

.- Frágiles y de baja resiliencia.

.- Indeformables en frío.

.- Difíciles de mecanizar.

.- No se pueden forjar ni templar

.- Moldes.

.- Palas deMolinos.

Aleadas

Alta

Aleación

Aleantes > 5% .- Buena resistencia al Calor..- Temperaturas de 500-600ºC..- Excelente resistencia acorrosión.

.- Parrillas.

.- Intercambiadoresde Calor

.- Condensadores

Aleadas.

Baja y

Media

Aleación.

Aleantes < 5% .- Buena resistencia al desgaste..- Alta dureza..- Buena resistencia al calor.

.- Tolvas.

.- Moldes paraCerámicas.

6.2.1.2. Fundiciones Grises.

Se Es el tipo de fundición más común, variando sus contenidos de C del 2,5 al 4% y losde Si del 1 al 3%.

.- Clasificación.

· Ordinarias.

· Aleadas.o Alta Aleación.o Baja y media Aleación.

TIPOS CARACTERISTICASPROPIEDADES

GENERALESAPLICACIONES

Ordinarias

Presencia masiva delcarburo Fe3C o Grafito.

.- Buenas amortiguadoras delas vibraciones.

.- Fáciles de moldear por su

.- Piezas deMaquinaria.

.- Tubos.

.- Zapatas de Freno.




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Aleadas

Alta

Aleación

Aleantes > 5%

Ni, Cu, Cr.

.- Camisas de Cilindro.

.- Cigüeñales.

.- Tambores de Freno.

Aleadas.

Baja y

MediaAleación.

Aleantes < 5%

Cr, Ni, Mo, Cu, Ti y V

gran fluidez a la

temperatura de colada..- Resistentes al desgaste..- Resistentes a la corrosión..- Volumen variable por la

diferencia de densidadentre el grafito y la matriz.

.- Muy económicas.

6.2.1.3. Fundiciones Dúctiles.

Las fundiciones dúctiles se pueden considerar como fundiciones grises con ladiferencia de que el grafito en vez de presentarse en forma de láminas se encuentra en formaesferoidal o nodular.

.- Propiedades.

Comparándolas con las fundiciones grises laminares las propiedades a nivel generalde estas fundiciones son:

· Mejor resistencia y ductilidad.

· Similar resistencia a la corrosión.

· Similar resistencia al desgaste.

· Similar contracción.

Además, presentan:

· Muy buena colabilidad en piezas de formas complejas.

· Aceptable resiliencia.

· Fácil mecanizado.

· Aceptable soldabilidad.

· Aceptable resistencia al choque térmico.

.- Aplicaciones.

Se puede decir que este tipo de fundiciones presentan características similares a los aceros de

contenido medio en C, de modo que se fabrican con este tipo de fundiciones cigüeñales, engra-

najes, tuberías…

6.2.1.4. Fundiciones Maleables.

Se obtienen a partir de fundiciones blancas mediante un tratamiento térmico que permite la grafítización de la cementita.

.- Propiedades.

Las propiedades de estas fundiciones dependerán principalmente del tipo de matrizobtenida.

.- Aplicaciones.

Se encuentran fundamentalmente en la industria automovilística, concretamente en la

fabricación de engranajes de transmisión y cajas para diferenciales.



TEMA 6Aleaciones No Férreas de Interés Industrial. Tratamientos y Características.

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Tema 7

Aleaciones No Férreas de Interés Industrial. Tratamientos y Características.

7.1. Introducción.

Se estudian agrupadamente:

· Aluminio, magnesio, titanio y berilio por presentar la característica común de suligereza.

· Cobre níquel y cobalto por sus destacadas propiedades de conductividad eléctrica,comportamiento ante la corrosión y a elevadas temperaturas, respectivamente.

· Materiales refractarios y nobles o preciosos.

7.2. Aleaciones No Férreas.

Se consideran aleaciones no férreas a todas aquellas aleaciones metálicas cuyo elemento base es diferente al Fe.

7.2.1. Aleaciones Ligeras.

El Mg es el más ligero, seguido del Be, Al y Ti, dando lugar a excelentes relacionesentre su resistencia y peso. Sin embargo su precio por kilogramo no es bajo si se compara con el

del Fe, puesto que a modo de orientación el Al cuesta 6 veces más, el Mg 12, el Ti 600 y el Be1.200.

7.2.1.1. Aleaciones de Aluminio.

.- PROPIEDADES:

o Metal más abundante en la corteza terrestre.o Cristaliza en el sistema (ccc) lo que le confiere una excelente capacidad para ser deformado.o Su conductividad eléctrica es buena, casi 4 veces mayor que la del Fe, aunque del orden

del 60% de la del Cu.o Su conductividad térmica es muy alta.o Su temperatura de fusión es de 660 °C.o Módulo de elasticidad de 70 GPa, que es bastante inferior al del Fe, 200 GPa.o Gran Resistencia a la corrosión. Medio Atmosférico, se cubre de película de oxido de

aluminio, Al203, fenómeno conocido como anodizado.

o Metal más abundante en la corteza terrestre.o Cristaliza en el sistema (ccc) lo que le confiere una excelente capacidad para ser deformado.

.- PROPIEDADES MECANICAS:

o Baja resistencia.

o Gran ductilidad y maleabilidad.o Reducida dureza




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El aluminio forma aleaciones con diferentes metales con el objetivo de mejorar sus

propiedades, generando, con la mayoría de ellos, compuestos intermetálicos.

Las propiedades del aluminio y sus aleaciones pueden modificarse mediantetratamientos térmicos o mecánicos, aunque el tratamiento térmico de endurecimiento por

precipitación es el más característico de estas aleaciones.

7.2.1.1.1. Endurecimiento por Precipitación.

El tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación también se denomina

endurecimiento por envejecimiento o maduración debido a la necesidad de que transcurra un

cierto tiempo para que la fase en equilibrio precipite como consecuencia del cambio de

solubilidad. Las etapas básicas del endurecimiento por precipitación son dos:

· Tratamiento de solubilización y temple.

· Proceso de envejecimiento o maduración.

Durante la etapa de solubilización se trata de obtener una solución sólida que tenga el

mayor contenido posible de soluto.

La aleación después del temple se encuentra sobresaturada y es inestable, es decir elexceso de soluto o aleante tenderá a salir de la solución sólida, variando con la temperatura la

velocidad a la que se produce la precipitación. En general, las bajas temperaturas inducendifusiones lentas y por tanto baja precipitación, mientras que las altas generan rápidamente unnivel de precipitación elevado, encontrándose la temperatura óptima a la que se produce elmáximo endurecimiento en un tiempo razonable.

En las aleaciones Al-Cu, la difusión de los átomos de Cu en la estructura del aluminio

es losuficientemente rápida

como para que se produzca una precipitación fina y dispersa quehace de barrera al desplazamiento de las dislocaciones en la matriz, lo que da lugar alendurecimiento y al aumento de resistencia mecánica de la aleación.

Aquellas aleaciones en las que la precipitación tiene lugar a temperatura ambiente seconocen como aleaciones de envejecimiento o maduración natural, mientras que las que

necesitan de un cierto calentamiento se denominan de envejecimiento o maduración artificial.

La teoría que permite justificar el fenómeno de endurecimiento por precipitación se basaen considerar el precipitado, su tamaño y distribución y la coherencia reticular entre ambasfases. Así, después del temple y cuando comienza el envejecimiento, los átomos de soluto

excedentes migran hacia determinados planos cristalográficos formando agrupaciones,

denominadas zonas de Guinier Preston.

7.2.1.1.2. Clasificación de las aleaciones de Aluminio.

Se clasifican según su utilización en:

· Aleaciones para Forja..- Presentan elevada Plasticidad.

.- Pueden ser tratadas termodinámicamente.· Aleaciones para Moldeo.

.- Buena fluidez.

.- Baja plasticidad.

.- Pocas posibilidades de endurecer por tratamiento térmico.




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.- Aleaciones para Forja NO endurecibles por tratamiento térmico.

Se llevan a cabo cuando se necesitan mejorar las propiedades mecánicas.

Al-Mn

PropiedadesMejoran las propiedades mecánicas, sin perder su buen comportamiento a la

corrosión y ductilidad.

Aplicaciones. Embalajes, botes de conserva y latas.

Al-Mg Concentracion

Propiedades No pueden tratarse térmicamente. < 1,4 %

Propiedades Tratamiento es muy bajo > 3 %

Propiedades

Se limita su utilización.Elevada resistencia a la corrosión ambiental y salina.Aceptable Soldabilidad.

5 %

.- Aleaciones para Forja endurecibles por tratamiento térmico.

Se caracterizan por presentar propiedades mecánicas de tipo medio:

· Buena Forjabilidad.

· Resistencia a la Corrosión.

· Facilidad de Anodizado.

Al-Cu

Propiedades

Baja soldabilidad (Remachado)Se endurece la aleación.Se reduce la resistencia a la corrosión.

Al-Mg-Si

PropiedadesMejor soldabilidad y resistencia a la corrosión.Buena conductividad electrica.

Aplicaciones. Carpintería, puertas y ventanas.

Al-Zn-Mg

Propiedades Presentan características mecánicas mas elevadas.

Al-Li

Propiedades

Caras y difíciles de colar y conformar en caliente.Elevan el modulo elástico.Reducen el peso debido a baja densidad del Li. Niveles de Resistencia mecánica elevados.

.- Aleaciones para Moldeo

Al-Si

Propiedades

Las más utilizadas.Elevada resistencia a la corrosión.

Son soldables.Enfriamientos lentos: Ductilidad baja.

Enfriamientos rápidos: Mejora la ductilidad y resistencia mecánica.




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7.2.1.2. Aleaciones de Magnesio.

.- PROPIEDADES:

o Tercer metal más abundante en la corteza terrestre.o Baja densidad: 1,74 g/cm3, es el metal más ligero.o Cristaliza en el sistema (hc) lo que le justifica su:

.- Fragilidad.

.- Baja plasticidad.

.- Baja conformabilidad en frió: Tª de fusión: 650º C.o Extraordinaria Maquinabilidad.o Aceptable resistencia a la corrosión en ambientes secos, no tanto en marinos.o Contacto con otros metales experimenta corrosión galvanica.o Modulo elástico: 45GPa, mas bajo de todos los metales estructurales.

7.2.1.2.1. Clasificación de las aleaciones de Magnesio.

.- Aleaciones para Moldeo.

Mg-Al Composición

Propiedades

Mejora propiedades mecánicas del Mg y su fluidez.Valores óptimos.

Aleación se hace frágil, pudiendo envejecer.

3 – 10 %6 – 7 %

> 10 %

Mg-Al-Zn

Propiedades

Mejora de: .- Propiedades mecánicas..- Colabilidad.

.- Resistencia a la corrosión.

Mg-Zn

Propiedades Fluidez es buena, pero pueden existir problemas de fragilidad.

.- Aleaciones para Forja.

Mg-Al

PropiedadesPresencia de Zn, propiedades mecánicas aumentan.Presencia de Mn mejora la resistencia a la corrosión.

7.2.1.3. Aleaciones de Titanio.

.- PROPIEDADES:

o Cuarto metal más abundante en la corteza terrestre.o Obtención no es económica, ya que es bastante compleja.o Relativamente ligero, densidad: 4,54 g/cm3.o Cristaliza en el sistema (hc).o Tª de fusión: 1670º C.o Bajo coeficiente de dilatación y conductividad térmica.o Resistencia mecánica equiparable a la de algunos aceros.o Gran reactividad superficial. En contacto con O, forma capa de oxido que le protege tanto

de la oxidación como de la corrosión.




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o Ti y sus aleaciones, muy resistentes dúctiles y mecanizables.

7.2.1.3.1. Clasificación de las aleaciones de Magnesio.

Según los elementos de aleación presentes y por tanto de la microes-tructura resultante,

las aleaciones de titanio se clasifican comercialmente en:

· Aleaciones α· Aleaciones β

· Aleaciones α + β

Aleaciones α

Propiedades

Escasa plasticidad: No son forjables.Resistentes a la oxidación en caliente.Composición: 5% Al y 2,5% Sn.

Aleaciones β

PropiedadesResultan mas caras.Sueldan mal y se fragilizan.

AplicacionesSe están desarrollando mucho en los últimos años.

Chapas y piezas de gran espesor.

Aleaciones α + β

Propiedades

Mayor ductilidad.Tenacidad a la fractura.Resistencia a la fatiga.

.- APLICACIONES:

· Industria Aeroespacial: estructuras de aviones, motores, rotores.· Arquitectura y transporte.

7.2.1.4. Aleaciones de Berilio.

.- PROPIEDADES:

o Material más ligero de las aleaciones ligeras, densidad: 1,85 g/cm3.

o Excelente rigidez.

o Buena resistencia mecánica.o Conductividad térmica es elevada.o Excelente comportamiento a la corrosión a Tª ambiente. Tª > 760º C, se oxida rápido.o Ventajas:

.- A una densidad similar a la del Mg, se unen la resistencia a la tracción y el moduloelástico que superan ampliamente a la de los aceros.

o Desventajas:

.- Fragilidad.

.- Toxicidad.

.- Coste elevado.

.- APLICACIONES:

· Industria Aeroespacial: y reactores nucleares.




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7.2.2. Aleaciones según el componente mayoritario.

· Cu: Destaca su elevada conductividad eléctrica.

· Ni: Destaca su extraordinario comportamiento ante la corrosión y la oxidación a

elevadas temperaturasCo: Destaca su potencial para formar superaleaciones por su buen comportamiento a

elevadas temperaturas.

7.2.2.1. Aleaciones de Cobre.

.- PROPIEDADES:

o Densidad: 1,85 g/cm3, algo mas pesado que el Fe.o Temperatura de fusión de 1.085 °C.o Cristaliza en la red (ccc), consecuencia de ello es:

.- Gran plasticidad.

.- Buena conformabilidad en frío.o El cobre recocido alcanza una resistencia de 240 MPa que aumenta a 350 MPa al ser

deformado en frío un 4%.o Alta conductividad eléctrica y térmicao Resistencia a la corrosión es buena en ambientes marinos, aunque se reduce considera-

blemente en medios amoniacales.o Su resistencia mecánica aumenta a bajas temperaturas, por lo que es un excelente metal

criogénico. Así, a -196 °C su resistencia mecánica es 50% mayor que a temperatura

ambiente.o Facilidad para soldar.

La presencia de O y/o de P condiciona el uso del cobre. Así, los cobres exentos de O

contienen P residual que como impureza hace disminuir la conductividad eléctrica del mismo,aunque a su vez permite la soldadura.




7

La mayoría de las aleaciones de cobre no endurecen mediante tratamientos térmicos

por lo que es necesario someterlas a deformación en frío para conseguir su endurecimiento,aunque este también se puede alcanzar mediante la formación de soluciones sólidas.

7.2.2.1.1. Latones.

o Aleaciones de Cu y Zn.o Aleaciones más importantes desde el punto de vista propiedades/precio.o El Zn es el soluto que se encuentra en la red del cobre mediante la sustitución de átomos.

Los latones se clasifican comercialmente según las fases presentes en:

· Latones α (% Zn < 39).

· Latones α + β (37,5 < % Zn < 46).

· Latones β (46 < % Zn < 50).

La adición de otros elementos de aleación confiere a los latones mejores propiedades,

de forma que la presencia de:· Sn mejora la resistencia mecánica y frente a la corrosión marina.

· Ni mejora la resistencia a la corrosión bajo tensión.

· Al y Mn mejora la resistencia mecánica.

· Pb mejora la maquinabilidad.

· Si mejora la fluidez y la soldabilidad.

· Fe afina el grano.

.- Latones α (% Zn < 39).

.- PROPIEDADES:

o Solución sólida de Zn en cobre con estructura (ccc).o Relativamente blandos.o Dúctiles.o Fáciles de trabajar en frío.

.- APLICACIONES:

o Chapas finas y alambres.o Aplicaciones variadas en bisutería, monedas y decoración.

Latones semirrojos (5-10 % Zn ).

Propiedades

Buena resistencia mecánica.Excelente maleabilidad.Aptitud frente a la corrosión.

Aplicaciones Bisutería y Arquitectura.

Latones Cu- 28% Zn

PropiedadesMáxima resistencia a la tracción.Excelente aptitud frente a la deformación en frío

Aplicaciones Intercambiadores de calor.

Latones Cu- 30% Zn

Propiedades Excelente maleabilidad.Aplicaciones Fabricación de cartuchos.




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Latones Cu- 33% Zn

Propiedades Máxima maleabilidad.

.- Latones β (46 < % Zn < 50).

Aleados con Sn, Pb o Ni dan lugar a los siguientes latones:

Al Estaño.

Propiedades 1 % Sn: Mejorar la resistencia a la corrosión.

Al Plomo.

Propiedades 100 % de Maquinabilidad.

Aplicaciones Fabricación de tornillos.

Al Niquel.

Propiedades Denominados Alpacas (SE ESTUDIAN + ADELANTE)

.- Otros Latones.

Latón de Almirantazgo

Propiedades Mejorar la resistencia a la corrosión en aguas ácidas.

Aplicaciones Industria química y naval.

Metal Muntz

Propiedades Para ser laminado o forjado en caliente.

Aplicaciones Productos extruidos.

Latón Naval

Aplicaciones Piezas forjadas.

Para concluir este apartado, se debe conocer que en los latones existen dosmanifestaciones específicas de corrosión, que son la descinfícación y la denominada corrosión

estacional.

· La descinfícación es un fenómeno que se manifiesta en los latones en forma de manchas

rojas en las que el latón se sustituye por cobre esponjoso que precipita después devaciarse de Zn como consecuencia de la oxidación del mismo.

·

La corrosión estacional se debe a las atmósferas húmedas y cambios bruscos detemperatura.

7.2.2.1.2. Bronces.

o Aleaciones de Cu y Sn (1-20 %).o Mejores propiedades mecánicas que los latones, pero con mayor coste:

.- Resistencia a la tracción mejora.

.- Comportamiento ante la corrosión mejora. Elevada resistencia.o Se pueden soldar.o Conductividad eléctrica y magnética desciende según aumenta el contenido de Sn.




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Bronces al P

Propiedades Mejora propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión.

Bronces al Zn

Propiedades Mejora resistencia a la corrosión y al rozamiento.

Aplicaciones Cojinetes y válvulas.Bronces al Pb

Propiedades Mejora su Maquinabilidad.

Aplicaciones Fabricación de cartuchos.

Bronces al Ni

Propiedades Mejoran sus propiedades mecánicas

7.2.2.1.3. Cuproaluminios.

o

Aleaciones de Cu y Al (5-11 %).o Resistencia mecánica superior a la de los bronces y un precio inferior o Mecanizado es fácil y son soldables.o Sustituyen a los aceros al C de medio contenido, ya que a igualdad de resistencia

mecánica tienen mayor resistencia a la corrosión especialmente en aguas de mar.o Atractivo color: Bisutería.

Los cuproaluminios se clasifican según su microestructura en: cuproaluminiosmonofásicos y bifásicos.

Cuproaluminios monofásicos

Propiedades 4-7 % Al.4 % Ni: Mejoran la resistencia a la corrosión.

Difíciles de soldar.

Aplicaciones Bisutería.

Cuproaluminios bifásicos

PropiedadesMuy maleables en caliente.Fácilmente soldables.

Aplicaciones Cojinetes y válvulas.

7.2.2.1.4. Cuproníqueles.

.- PROPIEDADES:

o Aleaciones de Cu y Ni (5-44 %).o Totalmente solubles en estado sólido. Solución sólida de sustitución con red (ccc).o Elevada resistencia a la corrosión electrolítica.o Muy dúctiles.o Excelente comportamiento ante acción erosiva que experimentan los materiales en aguas

marinas.

.- APLICACIONES:

o Tuberías de circulación de aguas marinas y contaminadas.o Instalaciones de desalinización.o La adición de Fe y Co, se utilizan para la fabricación de imanes permanentes.




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7.2.2.1.5. Alpacas.

.- PROPIEDADES:

o Aleaciones Ternarias de Cu (55 - 63 %), Ni (10 - 30 %) y Zn (el resto).

o Presencia de Ni, genera estas propiedades:

.- Aumenta su densidad y su resistividad electrica.

.- Importante incremento de la resistencia a la corrosión.

.- APLICACIONES:

o Decoración.o Industria de las telecomunicaciones.

7.2.2.1.6. Aleaciones Endurecibles.

Pertenecen a este grupo aquellas aleaciones de cobre que son endurecibles mediantetratamiento térmico de precipitación; entre ellas se encuentran:

Aleaciones Cu-Be

Propiedades

Composición comercial de Be: 1,75 - 2,5 %Materiales Tenaces y duros.

Alta conductividad eléctrica.

Bajo modulo elástico.

AplicacionesInstrumental quirúrgico y dental.Cojinetes.

Aleaciones Cu-Cr

Propiedades Conductividad electrica muy elevada.

AplicacionesFabricación de conexiones electricas.

Electrodos para soldar.

Aleaciones Cu-Zr

Propiedades Similares a las del grupo Cu-Cr.

Aleaciones Cu-Ti

Propiedades Resistencia muy elevada: 1100 Mpa.

Aplicaciones Similares a las del grupo Cu-Be

7.2.2.1.7. Otras Aleaciones.

Aleaciones Cu-Pb

Propiedades Buen coeficiente de rozamiento.

Aplicaciones Cojinetes.

Aleaciones Cu-Mn

PropiedadesAumento de resistencia mecánica.Tenacidad disminuye para contenidos de Mn > 4%

Cupromanganesos al Al

Propiedades Dúctiles y maleables cuando el porcentaje de Al < 4,5 %

Aplicaciones Fabricación de hélices de barcos.




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Cupromanganesos al Ni

PropiedadesResistencia eléctrica inalterable, por lo que se utilizan en instrumentos

eléctricos patrones.

Cupromanganesos al Si

Aplicaciones Alabes de Turbina

7.2.2.2. Aleaciones de Níquel.

Su presencia en cualquier tipo de aleaciones proporciona una excepcional resistencia a

la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas.

.- PROPIEDADES:

o Densidad: 8,9 g/cm3.o Temperatura de fusión de 1.458 °C.

o Cristaliza en la red (ccc).o Precio elevado.o Propiedades mecánicas aceptables, parecidas a las de los aceros de bajo contenido de C.

o Buena conductividad eléctrica.

Las impurezas en el níquel provocan una disminución de:

· Conductividad eléctrica y térmica.

· Alargamiento.

· Resiliencia.

Pero aumentan su:

·

Resistencia mecánica.· Dureza.

· Límite elástico.

.- APLICACIONES:

Una de sus mayores aplicaciones se encuentra en el campo de los recubrimientos de

otros metales con el fin de prevenir la corrosión.

Aleaciones Ni-Cr

PropiedadesCr mejora notablemente la resistencia a la corrosión en condiciones oxidantes

y aumenta también la resistividad del níquel.Aplicaciones Resistencias para hornos eléctricos.

Aleaciones Ni-Cu

Propiedades

Gran resistencia mecánica a altas temperaturas.Elevada resistencia a la corrosión.Buena soldabilidad

Aplicaciones Hélices, bombas, válvulas, propulsores.

Aleaciones Ni-Fe

Propiedades Ni > 20-25%: Son dúctiles, tenaces y resistentes a la corrosión.

Aleaciones Ni-Mo-Fe

PropiedadesResistente a agentes corrosivos y tener un buen comportamiento a

temperaturas elevadas.




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.- Superaleaciones Base Níquel.

Comportamiento bajo fluencia, efecto de gradientes térmicos, corrosión y otras propiedades físicas como coeficiente de dilatación, conductividad térmica y eléctrica, sonalgunos de los factores a considerar al trabajar los materiales a temperaturas elevadas.

Las aleaciones que satisfacen estas necesidades son las denominadas superale-

aciones.

Se consideran aleaciones resistentes a altas temperaturas aquellas que son capaces de prestar servicio a temperaturas superiores a 500-550 °C; hasta 650 °C se utilizan aceros al Cr yhasta 1.100 °C se utilizan superaleaciones.

Entre las aleaciones de níquel más importantes se encuentran las denominadas Nimonic,que son superaleaciones de endurecimiento estructural o envejecimiento a 750 °C.

El envejecimiento produce un aumento de la resistencia a la rotura, del límite elásticoy de la dureza, disminuyendo su ductilidad, estricción y resiliencia, si bien el efecto más

importante es el aumento de la resistencia a la fluencia.

7.2.2.3. Aleaciones de Cobalto.

.- PROPIEDADES:

o Densidad: 8,9 g/cm3.

o Temperatura de fusión de 1.495 °C.o Material Alotrópico:

.- Tª Ambiente: Cristaliza en la red (hc).

.- 417º C: Cristaliza en la red (ccc).

o Su resistencia a la corrosión es inferior a la que presenta el Fe y las propiedades mecánicasson de nivel medio-bajo.

7.2.3. Aleaciones de Materiales Refractarios.

.- PROPIEDADES:

o Temperatura de fusión elevadas > 2000º C.o Componen cuatro elementos y sus aleaciones con la misma estructura cristalina (cc)o Los enlaces atómicos de los cuatro metales son muy fuertes, lo que implica:

.- Gran resistencia mecánica.

.- Elevado módulo elástico.

.- Considerable dureza.o Tendencia a oxidarse.

Es importante conocer en estos materiales, la Tª de transición dúctil-fragil, tanto pararealizar su conformación como para su utilización posterior.

Molibdeno

PropiedadesExcelente conductividad térmica en frío.Bajo coeficiente de dilatación

WolframioPropiedades Módulo elástico es muy elevado, siendo además de los más densos




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Aplicaciones Filamentos para bombillas incandescentes.

Niobio

PropiedadesDúctil a temperatura ambiente

Tendencia a la oxidación a temperaturas altas.

Aplicaciones Industria química.

Tántalo

PropiedadesDúctil a temperatura ambiente

Baja resistencia a la oxidación al aire.

Aplicaciones Industria química y electronica.

7.2.4. Aleaciones de Metales Blancos.

El cinc, estaño y plomo son metales pesados, de bajo punto de fusión, de color blanco.

Cinc

Propiedades

Red cristalina (hc) y Tª de fusión: 419º C.

Susceptible de corrosión.Maleable entre 100 y 200 °C, por lo que se puede laminar, trefilar o embutir.

Aplicaciones Protector contra la corrosión en galvanizados, pinturas, protección catódica

Plomo

Propiedades

Red cristalina (ccc) y Tª de fusión: 327º C.Resistencia a la corrosión es elevada.

Insensibilidad al agua.Toxicidad del plomo, restringe sus aplicaciones.

Aplicaciones Industria química y acumuladores.

Estaño.

Propiedades

Tª de fusión: 230º C.Gran resistencia a la corrosión ambiental y varios tipos de ácidos.Elementos aleantes Cu, Pb y Sb, mejoran sus propiedades mecánicas.

AplicacionesEstañado y soldadura.Laminado y tubos extruidos.



TEMA 8Materiales Poliméricos de Interés Industrial

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Tema 8

Materiales Poliméricos de Interés Industrial.

8.0. Aleaciones Férreas.

Los materiales poliméricos o polímeros, están formados por grandes moléculasdenominadas macromoléculas, que pueden contener millones de átomos.

Plásticos = Polímeros + Aditivos.

.- Tipos de Plásticos:

· Termoplásticos· Termoestables.· Elastómeros.

Algunas de las propiedades más características se detallan a continuación:· Enlace Covalente es el característico.· Son de naturaleza orgánica y en su composición se encuentran, fundamentalmente, C e

H y en ocasiones otros elementos como O, N, Cl, S y F.· Se caracterizan por:

o Ligereza.o Resistencia a los agentes atmosféricos.o Facilidad para ser conformados.

8.1. Moléculas de Polímeros.

Los compuestos o agrupaciones atómicas de interés que se denominan monómeros

pueden clasificarse en dos grupos, los olefínicos o alquenos y los compuestos funcionalizados.

La síntesis de los polímeros se lleva a cabo mediante el proceso químico denominadopolimerización, cuyo mecanismo transcurre por adición o por condensación.

· Olefinas: Polimerización por adicción.· Los del segundo grupo, compuestos funcionarizados: Polimerización por condensación.

El 1er grupo de monómeros corresponde acompuestos insaturados, es decir, con doble o triple enlace

covalente. Permiten la polimerización entre sí produciendoun hidrocarburo saturado en el que todos los enlaces son

sencillos y donde no se pueden añadir otros átomos nuevossin la eliminación de los enlazados.

La olefina más sencilla es el etileno, gas que en presencia de un catalizador y en las condiciones adecuadas

de presión y temperatura se transforma en el polietileno(PE).Policloruro de vinilo PVC, resulta cuando uno de

cada cuatro hidrógenos se reemplaza por un átomo de Cl; yel polipropileno (PP) que resulta de sustituir los átomos decloro del PVC por el grupo CH3

Los del segundo grupo, presentan al menos dosgrupos reactivos en la molécula, de tal forma que lareacción de polimerización pueda transcurrir repetidasveces entre sí. Ej: nylon 6,6, baquelita, poliamidas y resinas




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8.2. Estructuras moleculares de los Polímeros.

Los elementos que forman la macromolécula se enlazan entre sí dando lugar a largas

cadenas de elevado peso molecular, como consecuencia de la capacidad que tiene el átomo deC para unirse consigo mismo un gran número de veces.

Como consecuencia de la geometría del enlace C—C (ángulo de 109°), las cadenasadoptan formas en zig-zag enmarañándose y generando un desorden que hace que la mayoríade los materiales poliméricos sean sólidos amorfos, lo que disminuye notablemente laprobabilidad de la existencia de materiales plásticos totalmente cristalinos.

La naturaleza del enlace covalente, que permite compartir electrones, provoca la no

existencia de electrones libres en el polímero por lo que su conductividad eléctrica es nula; por ello estos materiales son aislantes o dieléctricos. Del mismo modo, la conductividadtérmica así como su densidad son muy bajas.

Desde el punto de vista geométrico, las únicas condiciones de unión que deben

cumplir, son:· Mantener una distancia fija entre los sucesivos átomos de C.· Que el ángulo formado por los enlaces sea de 109°.

La cadena podrá crecer de forma lineal en zigzag, pero normalmente ocupará un espacio

tridimensional, retorciéndose sobre sí misma, dando lugar a una configuración que se conocecomo ovillo estadístico.

El hecho de que las cadenas se retuerzan implica que necesariamente se entrelazarán

con otras cadenas próximas, dando lugar a una imagen parecida a la de una maraña de hilosformando un ovillo. Esta morfología amorfa y la capacidad de rotación de los segmentos de lascadenas bajo esfuerzos mecánicos o variaciones térmicas, determinan en gran medida muchasde sus propiedades mecánicas y térmicas.

.- Distintas estructuras Moleculares de Polímeros.

· Polímero con estructura lineal:o Cadenas flexibles, con unión entre ambas mediante débiles fuerzas de Van der Waals.o Polietileno, cloruro de polivinilo y poliestireno.

· Polímero con estructura ramificada:o Algunos polímeros lineales o de otro tipo pueden conectarse al extremo de otras

cadenas mediante enlace covalente, dando lugar a la estructura ramificada.o Menos densos y menor resistencia a la tracción.

En consecuencia, un átomocualquiera de una cadena lineal decarbonos puede encontrarse en cualquier punto de la base de un cono, con generatrizigual a la distancia C-C (0,154 nm), tal ycomo se puede observar en la figura:




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.- Configuraciones Moleculares de Polímeros.

En función del número de monómeros presentes en la formación de la cadena se tienen:· Homopolímero.

.- En la formación de la cadena o polímero solo interviene un tipo de monómero.

.- Ejemplo más característico: Polietileno.· Copolimero.

.- En la formación de la cadena o polímero interviene mas de un tipo de monómero.

8.3. Estructuras Cristalinas de los Polímeros.

Los polímeros admiten múltiples configuraciones, pudiendo dar lugar a estructuras muycomplejas, lo que hace que la formación de polímeros totalmente cristalinos sea

prácticamente imposible. No obstante, se pueden encontrar polímeros parcialmente

cristalinos en los que existe una cierta cristalinidad en determinadas áreas del material.

El grado de cristalinidad de un polímero establece la relación entre la fracción cristalinay el total del mismo. Los factores que determinan el grado de cristalinidad de un polímero son:

· Cuanto más sencilla sea la estructura del polímero mayor será la simetría,favoreciendo así su grado de cristalinidad. La presencia de grupos sustitutivosvoluminosos o de ramificaciones dificulta el ordenamiento de las cadenas.

·

En el caso de las cadenas, los polímeros más fácilmente cristalizables son los lineales,resultando que la configuración de cadena lineal en zig-zag es la que adoptan las cade-nas de polímeros al empaquetarse en las zonas cristalinas.

· Una velocidad de enfriamiento lenta permite que las cadenas tengan tiempo suficiente para moverse y alinearse, facilitando así el ordenamiento cristalino.

8.4. Clasificación de los Polímeros.

Propiedades de los Polímeros dependen de:· Estructura molecular.· Estructura cristalina.

La densidad de los mismos depende del tipo de cadenas moleculares, así:

Los monómeros asimétricos, como por ejemplo el cloruro de vinilo y el propileno, cuyoelemento diferenciador es, respectivamente, Cly CH3, pueden ocupar diferentes posiciones a lo

largo de la cadena formada, definiéndose así laestereoisomería6 típica de este tipo demonómeros.

.- Distintos grados de simetría que presentan las cadenas:

· Isotáctico: todos los grupos sustitutivosse sitúan en el mismo lado de la cadena.

· Atáctico: las posiciones de esos gruposson aleatorias, por lo que se pierde lasimetría.

· Sindiotáctico: los grupos sustitutivos seincorporan de forma alternante, dandolugar a una configuración regular.




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· Cadenas lineales: Mayor densidad.· Cadenas ramificadas: Menor densidad.

Clasificación de los polímeros se realiza en función del tipo de unión existente entre lascadenas así se tiene:

·

Termoplásticos: Cadenas poliméricas débiles, del tipo deVan der Waals

.· Termoestables: Cadenas unidas entre si por fuertes enlaces covalentes.

· Elastómeros: Polímeros lineales con uniones covalentes ocasionales en sus cadenas.

TIPO COMPONENTES

Termoplásticos .- Cuando se calienta un termoplástico se ablanda y se endurece alenfriarse (ambos procesos son reversibles y repetibles..- Blandos y Dúctiles..- Amorfos o parcialmente cristalinos.

.- Mayor parte del consumo de los materiales Plásticos.Termoestables .- Se endurecen al calentarse y no se ablandan al continuar su

calentamiento..- No reversibilidad de su transformación, por lo que una vezreticulados ya no es posible modificarlos por acción de la temperatura..- Estructura altamente reticulada, debido a esto, son bastante rígidos..- Presentan rigidez, son aislantes térmicos y eléctricos, resultando ser másduros, resistentes y frágiles que los termoplásticos.

astómeros .- El hecho de que tengan pocas uniones hace que su deformabilidad seaalta, recuperando su forma original cuando se retira la carga ..- Caucho, es el material más característico..- Ventajas. Densidades relativamente bajas..- Desventajas: Resistencia a la tracción y Tª de uso bajas.

8.5. Funcionalidad de Aditivos en Plásticos.




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8.6. Comportamiento de los Plásticos.

Debido a la estructura interna de los materiales plásticos son malos conductores

eléctricos y térmicos. Las principales ventajas de este tipo de materiales radican en:• Facilidad para moldear piezas de geometría compleja, a temperaturas bajas.• Producción de grandes series.• Aislantes en general y buenos atenuantes de ruidos.• Obtención de buenos acabados superficiales.• Pueden unirse mediante soldadura.

8.6.1. Comportamiento Térmico.

temperatura de transición vítrea. Por debajo de esa temperatura el polímero es un sólido

amorfo con comportamiento rígido-quebradizo, mientras que por encima de Tg es un

sólido amorfo deformable, presentando un comportamiento elástico-deformable. A medida

que la temperatura aumenta el polímero se hace más fluido llegando a convertirse en un líquido pastoso.

En la curva de trazos discontinuos, correspondiente al polímero semicristalino, se produce una importante variación de volumen específico a la temperatura de fusión, T(, ademásdel cambio de pendiente que tiene lugar a Tg, aunque menor que el del amorfo. En el caso deque el polímero fuera totalmente cristalino, solo existiría una temperatura característica Tf , y enla curva sólo aparecería un cambio de pendiente, correspondiente al cambio de volumenespecífico a la temperatura de fusión.

Si se habla de material plástico hay que tener en cuenta que su temperatura de transiciónes algo diferente a la del polímero base de ese plástico, como consecuencia de los aditivos

8.6.2. Comportamiento Mecánico.

La temperatura de transición vitrea

característica de los materiales poliméricos estáasociada a las regiones amorfas de los mismos y

establece la frontera entre el comportamientorígido-quebradizo y el elástico-deforma-ble,determinándose de forma experimental mediante latécnica de «calorimetría diferencial de barrido»(DSC).

Durante el enfriamiento la curvarepresentada en trazo continuo correspondiente almaterial amorfo cambia su endiente al alcanzar la

El comportamiento mecánico de losmateriales poliméricos se puede observar a partir de la curva tensión-deformación, encontrándosetres grupos característicos.· Uno, correspondiente a los polímeros frágiles

que rompen durante el proceso de deformaciónelástica.

· Otro, que corresponde al grupo de polímeros

comportamiento similar a los metales.· El último caractericado por un comportamiento

totalmente elástico los elastómeros.




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La resistencia mecánica aumenta al incrementarse el peso molecular.La estructura interna de los materiales poliméricos y la naturaleza de las fuerzas de

unión les confieren propiedades tales como:• Resistencia mecánica relativamente baja.• Bajo módulo de elasticidad.• Dependencia de las propiedades mecánicas con el tiempo.• Importante dependencia de la temperatura.• Gran sensibilidad al impacto y a la entalla.

El comportamiento mecánico de los termoplásticos depende de la estructura internade los mismos y de la temperatura. La deformación puede ser elástica, plástica o unacombinación de ambas. Para T < Tg la deformación es fundamentalmente elástica y correspondea un polímero amorfo, mientras que para T > T g es plástica o viscoplástica dependiendo delgrado de cristalinidad del polímero.

8.7. Termoplásticos de Interés Industrial.

POLIETILENO (PE)

Propiedades.

.- Las propiedades mecánicas y químicas dependen de su grado de cristalinidad y del grado de polimerización así..- Son excelentes aislantes eléctricos. Las propiedades dieléctricas son casi independientes dela densidad e índice de fluidez.Aplicaciones.

.- En electrotecnia: aislamientos eléctricos y tubos de instalaciones eléctricas.

POLIPROPILENO (PP)

Propiedades..- Su rigidez, dureza y resistencia es superior a la del PE. Para piezas de mayores prestacionesse refuerza con fibras de vidrio..- Es dieléctrico, aunque con tendencia a cargarse electrostáticamente por lo que se leincorporan antiestáticos.Aplicaciones.

.- En electrotecnia: recubrimientos de cables, carcasas de transformadores, baterías y acce-sorios.

POLICRORURO DE VINILO RIGIDO (PVC)

Propiedades.

.- Presentan gran resistencia mecánica, rigidez y dureza, aunque son sensibles a la entalla..- El aislamiento eléctrico es satisfactorio.Aplicaciones.

.- Fundamentalmente tuberías de presión, bombas, depósitos, tubos eléctricos, armarios,

bandejas.

POLICRORURO DE VINILO PLASTIFICADO (PVC)

Propiedades.

.- El aislamiento eléctrico y la resistencia química son menores que las que presenta el PVCrígido.Aplicaciones.

.- Tuberías, revestimientos de piscinas, juguetería, aislamientos eléctricos, enchufes, cintaaislante.




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POLIESTIRENO (PS)

Propiedades.

.- Es rígido, duro y quebradizo.

.- Presenta buena resistencia eléctrica, con tendencia a la carga electrostática.Aplicaciones.

.- Iluminarias para interiores.

.- Cubiertos y vajillas desechables

POLIMETACRILATO DE METILO (PMMA)

Propiedades.

.- Son duros y rígidos pero frágiles, con buena resistencia a la tracción, compresión y flexión.

.- Presentan gran calidad óptica con transmisión luminosa del orden del 92%Aplicaciones.

.- Óptica en general; aplicaciones electrotécnicas; pilotos, intermitentes, armarios eléctricos.

POLIAMIDAS (PA)

Propiedades.

.- Presentan buena resistencia a la fatiga, al impacto y a la abrasión.Aplicaciones.

.- Bobinas, enchufes, cajas de distribución eléctrica, carcasas, cubiertas de cables,

POLICARBONATO (PC)

Propiedades.

.- Su resistencia mecánica y dureza son elevadas, presentan buena tenacidad y rigidez.

.- Presenta buen comportamiento como aislante eléctrico.

Aplicaciones.

.- Proyectores, fusibles, tapas de acumulador, luminarias.

8.8. Termoestables de Interés Industrial.

RESINAS FENOLICAS

Propiedades.

.- Son rígidos, duros y frágiles y su resistencia depende del tipo y cantidad de carga de relleno.

.- Son aislantes eléctricos y presentan buena resistencia a la deformación por calor.Aplicaciones.

.- Enchufes, fusibles, carcasas, regletas, en electrotecnia.

RESINAS DE POLIESTER

Propiedades.

.- Una vez curadas presentan una resistencia, rigidez y tenacidad media

.- Presentan buena resistencia eléctrica y a la deformación por calor y buen comportamiento a bajas temperaturas.Aplicaciones.

.- Como masas de moldeo en piezas técnicas en electrónica y mecánica.

RESINAS DE EPOXI

Propiedades.

.- Muy buen aislamiento eléctrico y buena resistencia a la deformación por calor.

.-Presentan gran resistencia, rigidez, tenacidad, dureza, resistencia a la abrasión, y adherencia.




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Aplicaciones.

.- Piezas de motores eléctricos, aisladores, bases de circuitos impresos, recubrimientos de

condensadores y resistencias.

8.9. Elastómeros de Interés Industrial.

CAUCHOS

Caucho Natural

.- Buena resistencia mecánica y tenacidad.

.- Se utiliza en la fabricación de neumáticos de altas prestaciones.SBR (Caucho sintético de butadieno-estireno)

.- Cauchos sintéticos de mayor consumo.

.- Neumáticos de turismos, bicicletas, bandas transportadoras.EPM-EDPM (Cauchos saturados de etileno-propileno)

.- Su densidad es baja y sus aplicaciones se encuentran en la industria del automóvil, en juntas

de puertas y ventanillas y en construcción dada su resistencia a la intemperie.CR (Cauchos de cloropreno)

.- Muy resistentes a las condiciones ambientales.

.- Se utilizan en juntas de dilatación de puentes, bandas de transporte y artículos deportivos.

8.10. Otras formas de Polímeros y sus aplicaciones.

.- Fibras.

Los polímeros pueden fabricarse en la forma comercial de fibra, lo que les confiereelevadas propiedades en la dirección de la misma; siendo el nylon, con su buena resistencia ytenacidad, una de las más conocidas por su importancia en el sector textil y de neumáticos.

.- Adhesivos.

Los adhesivos son sustancias capaces de unir las superficies de materiales sólidosmediante la acción de fuerzas de naturaleza electrostática.

Los adhesivos pueden ser polímeros termoplásticos, termoestables, elastómeros ohíbridos.

.- Recubrimientos.

Los materiales plásticos pueden ser utilizados como materiales de recubrimientosuperficial en forma de película delgada, siendo los barnices, pinturas y lacas algunos de losejemplos comerciales.

.- Espumas

Se entiende por espumas aquellos materiales que disponen de celdillas huecas repartidasen su interior, presentando una densidad inferior al material base y que además mejoran

propiedades tales como la resistencia acústica y térmica.

Existen diferentes formas comerciales de espumas: espumas rígidas para aislamientosde estructuras huecas, frigoríficos y espumas blandas utilizadas en acolchado, salpicaderos deautomóviles,



TEMA 9Materiales Cerámicos de Interés Industrial

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Tema 9

Materiales Cerámicos Interés Industrial.

9.1. Propiedades mecánicas de las cerámicas.

Las cerámicas son los materiales más duros, razón por la que son utilizados como

abrasivos.

.- Resistencia mecánica.

En las cerámicas covalentes la fuerte localización del enlace hace que los electrones queintervienen en cada enlace estén concentrados en zonas determinadas entre los átomos, lo que produce una gran dificultad para que tenga lugar el deslizamiento de un plano.

Ahora bien, si el deslizamiento se produce según el plano A se ponen en contactoiones de la misma carga entre los planos deslizantes lo que tiende a provocar la separación por fuerzas de repulsión.

En general, materiales cerámicos-iónicos presentan cierta plasticidad, mientras queen los policristalinos se favorece la descohesión o agrietamiento intergranular con laconsiguiente fractura frágil.

.- Tenacidad.

La razón en la baja tenacidad a la fractura de estos materiales, que los hace muysensibles a la presencia de micro-defectos, origen de las grietas que conducen a la fractura prematura.

El tamaño de los defectos y su distribución son factores importantes en los

materiales cerámicos, resultando que la baja tenacidad es una característica de los cerámicosiónicos y covalentes.

Conseguir cerámicas tenaces será un salto importante en el uso de este tipo demateriales, ya que resultarán idóneos para trabajar a altas temperaturas en motores, tanto decombustión interna como en turbinas.

La fractura de las cerámicas no se produce por la rápida propagación de una grieta, sino

por el lento avance de multitud de grietas, que conducen a la trituración final del material.

En los cerámicos iónicos el enlace es de

tipo electrostático, con grandes fuerzas deatracción entre iones de distinto signo y derepulsión entre los del mismo signo. Así, cuando

el deslizamiento de un plano de iones a través

del cristal, tal como se muestra en la figura, lo

hace según el plano B, la situación de los iones próximos no varía, ya que los cationes siempre

están rodeados de aniones y viceversa, por lo quela red no opondría una especial resistencia al

deslizamiento y los planos deslizantes seguiríanatrayéndose entre sí por fuerzas de Coulomb.




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9.2. Propiedades térmicas de las cerámicas.

La característica principal que determina en gran medida las propiedades térmicas de lascerámicas es su alto punto de fusión, lo que permite que puedan ser utilizados como materialesrefractarios.

Los materiales cerámicos más utilizados como refractarios en hornos son arcillas.

En general, la mayoría de los materiales cerámicos tienen baja conductividad térmica

debido a sus fuertes enlaces iónico-covalentes, por lo que son buenos aislantes térmicos. Por otro lado, tienen un alto coeficiente de expansión térmica que en muchos casos generatensiones internas durante los cambios bruscos de temperatura que pueden ser lo suficiente-mente grandes como para fracturar el material, y por tanto la resistencia al choque térmico que

presentan es baja.

9.3. Propiedades eléctricas y magnéticas de las cerámicas.

La propiedad eléctrica que caracteriza a los materiales cerámicos es una resistividadeléctrica alta a bajas temperaturas, lo que facilita su utilización como aislantes eléctricos,

debido a su enlace iónico y covalente.

En general, cuando se utilizan como aislantes deben tener baja porosidad, por esolas cerámicas que se encuentran totalmente vitrificadas como son porcelanas o vidrios seutilizan como aislantes eléctricos para altos voltajes. También encuentran su aplicación envarios tipos de capacitores, especialmente cuando se requiere miniaturización y entransductores piezoeléctricos que pueden convertir débiles señales de presión en señales

eléctricas y viceversa.

Algunos compuestos cerámicos tienen propiedades semiconductoras que son

importantes para determinados aparatos eléctricos. Uno de estos aparatos es el termistor, cuyaresistencia disminuye con el aumento de temperatura, como en el caso del semiconductor de Si.

Las celdas unitarias de algunos materiales cerámicos iónicos no presentan un centro desimetría, y como resultado de ello son dipolares al no coincidir los centros de las cargas positiva y negativa. Por ejemplo, el titanato de bario BaTi03 tiene una estructura de dominios,

presentando cada dominio un momento dipolar propio con una determinada orientación. Si elmaterial se enfría lentamente desde la temperatura de Curie en presencia de un campo eléctricofuerte, los dipolos de todos los dominios tienden a alinearse en la dirección del campo para producir un fuerte momento dipolar por unidad de volumen de material, fenómeno conocido

como ferroelectricidad.

9.4. Clasificación de materiales cerámicos.

9.4.1. Vidrios.

Los vidrios presentan propiedades muy características como son: excelente

transparencia, considerable dureza, excelente resistencia a la corrosión en muy variados

ambientes y facilidad de fabricación, lo que les convierte en materiales muy útiles enaplicaciones de ingeniería en sectores tales como eléctrico y electrónico, construcción,

automoción, alimentación, etc.




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9.4.1.1. Estructura y composición de los vidrios.

La mayoría de los vidrios se basan en la unidad fundamental de la sílice Si02, unidasentre sí sin orden de largo alcance.

La introducción de iones metálicos en la sílice permite modificar algunas

propiedades de los vidrios, razón por la que dichos óxidos reciben el nombre de modificadoresde red e intermedios según la función que realicen.

Los vidrios formados a partir de Si02 puro tienen un alto punto de fusión y un bajo

coeficiente de expansión térmica, por tanto una elevada resistencia al choque térmico.

9.4.1.2. Temperatura de transición vítrea.

Cuando un material cristalino se enfría desde el estado líquido sufre una variación devolumen discontinua a la temperatura de solidificación (Tf ). Es decir, su volumen específico

cambia bruscamente. No obstante, la palabra solidificación tiene diferente sentido en los vidrios que en los

materiales cristalinos, ya que cuando un vidrio es enfriado desde el estado líquido no existe

una temperatura definida a la que se convierte en un sólido, sino que se hace cada vez más

viscoso de una manera continua.

9.4.1.3. Viscosidad de los vidrios.

Por encima de la temperatura de transición vitrea, los vidrios pueden deformarse.Así, un parámetro de gran importancia en los vidrios es la viscosidad, ya que su

variación con la temperatura determina en gran medida su modo de procesado y sus

aplicaciones.

9.4.1.4. Tratamientos de los vidrios.

.- Temple del vidrio.

El endurecimiento del vidrio se mejora mediante un tratamiento de temple que consisteen calentarlo hasta una temperatura próxima a la de ablandamiento y enfriarlo a continuaciónhasta la temperatura ambiente mediante la aplicación de un chorro de aire.

Se consigue una resistencia a los impactos cuatro veces mayor que en el vidrio

convencional.

.- Reforzado quimico del vidrio.

La resistencia de un vidrio también puede incrementarse por la introducción de cationesde grandes dimensiones localizados en la zona superficial de la pieza, mediante tratamientosquímicos especiales. Para ello, el vidrio se sumerge en un baño de sales que contenga iones

metálicos mayores que los que integran el vidrio y que se encuentre a una cierta temperatura.Los cationes cercanos a la superficie del vidrio son reemplazados por otros de mayor

tamaño, induciendo esfuerzos de compresión en la superficie, por lo que el efecto es parecido

al obtenido en el temple.




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9.4.2. Materiales cerámicos tradicionales.

Los componentes básicos de este tipo de cerámicas son arcilla, sílice y feldespato,siendo el primero el más utilizado ya que es barato, fácilmente conformable y sobre todo queuna vez cocido a temperatura elevada es bastante resistente.

Las aplicaciones de los productos de arcilla se encuentran en el campo estructuralmediante ladrillos de construcción, tuberías de drenajes, azulejos, tejas, etc.

9.4.3. Materiales cerámicos refractarios.

El grupo de materiales cerámicos refractarios, comercializados principalmente en

forma de ladrillos, es uno de los más utilizados por su gran capacidad para:• Soportar grandes temperaturas sin llegar a fundir o descomponerse.

• Permanecer inertes al ser expuestos a medios agresivos.• Producir aislamiento térmico.

Sus aplicaciones se centran, fundamentalmente, en el revestimiento de las paredes ytechos de altos hornos.

9.4.4. Materiales cerámicos abrasivos.

Este tipo de cerámicas se caracteriza por su gran resistencia al desgaste, siendo bastante más duros que los materiales a los que desgastan. También son tenaces, ya que no sedeben fracturar fácilmente durante el proceso de abrasión.

Entre las más significativas se encuentran el carburo de wolframio y el de silicio.

9.4.5. Cementos.

Los cuatro componentes básicos del cemento son: CaO, Si02, Al203 y H20, resultandoser el cemento portland el que más se utiliza.

· En el proceso de calentamiento, la mezcla se convierte químicamente en un cementoendurecido, denominado clínker, que es caliza cocida que se tritura después de enfriarse.

· Cuando el cemento portland se mezcla con agua, reacciona y se endurece, produciéndosedos reacciones durante el endurecimiento. Una de ellas, la de hidratación tiene lugar durantelas primeras cuatro horas.

· La mayor parte de la hidratación tiene lugar en dos días y es responsable delendurecimiento rápido.

· La reacción de hidratación es más lenta, y a ella se debe el aumento de resistencia más alláde la primera semana, hasta los aproximadamente tres meses en que finaliza.

· La dureza del cemento radica en que fragua a través de reacciones que tienen lugar, nosólo en la superficie sino también en el interior del material.

· Es importante que el agua quede retenida en el hormigón durante las primeras etapas

del endurecimiento, evitando en lo posible la evaporación.

· La temperatura de fraguado es también muy importante, ya que si durante el fraguadola temperatura desciende por debajo de los cero grados centígrados, el agua se congela,dando lugar a la fragmentación del cemento.




5

9.4.6. Cerámicas Vítreas.

El exponente mayor de las cerámicas vitreas lo representan las vitrocerámicas en las quese combinan la naturaleza amorfa de los vidrios con la cristalina de las cerámicas.

Las vitrocerámicas presentan un coeficiente de dilatación térmica muy pequeño, loque evita su fractura por efectos térmicos. Además son buenos conductores eléctricos y fácilesde fabricar mediante las técnicas de conformado de vidrios.

9.4.7. Cerámicas Técnicas.

Son principalmente materiales compuestos de óxidos, carburos o nitruros , principalmente, de altos puntos de fusión y de extremada dureza.

La alúmina u óxido de aluminio ALO, es una cerámica técnic, cuyas aplicaciones soncomo material aislante de bujías y en general en aplicaciones eléctricas de altas prestaciones

de resistividad y baja pérdida dieléctrica.



TEMA 10Materiales compuestos de Interés Industrial

1

Tema 10

Materiales Compuestos de Interés Industrial.

10.0. Introducción.

Se considera material compuesto cuando sus constituyentes conservan su identidad

química.

Hasta ahora tal microestructura presenta un material, determinadas propiedades tiene.

Ahora bien, en este tema el procedimiento varía dado que algunas de las propiedades

mecánicas de los materiales compuestos son la media ponderada de las distintas propiedades

individuales de aquellos que los conforman.

10.1. Formación de materiales compuestos.

Los materiales compuestos se forman mediante la conjunción de dos constituyentes,uno continuo denominado matriz y otro discontinuo que se denomina refuerzo y del quedependen las propiedades mecánicas del material resultante, aunque mayoritariamente, enfunción de las aplicaciones industriales, están acompañados por aditivos y cargas. La matriz esel componente mayoritario y suele ser menos rígido y más dúctil que el minoritario, que se

distribuye de forma dispersa reforzando la matriz, por lo que recibe el nombre de refuerzo. Losaditivos y cargas complementan propiedades que son necesarias para aplicaciones determinadas.

La naturaleza de la matriz, puede servir como criterio a la hora de clasificar losmateriales compuestos:

• Materiales compuestos de matriz polimérica.

• Materiales compuestos de matriz metálica.• Materiales compuestos de matriz cerámica.

Actualmente se trabaja principalmente con matrices poliméricas, siendo los refuerzosmás utilizados las fibras de vidrio, carbono y aramida.

Otro modo de clasificar los materiales compuestos se basa en el tipo de refuerzo que se utilice:• Materiales compuestos reforzados con partículas.

• Materiales compuestos reforzados con fibras.

10.1.1. Matrices.

Aunque la ductilidad suele ser un criterio de selección de la matriz, es el intervalo detemperaturas de servicio del material compuesto el aspecto más crítico a tener en cuenta

cuando se efectúa la elección de la matriz.

Preferentemente polímeros y algunos metales, tales como Cu y Al son los más

utilizados como matrices de materiales compuestos, entre otras razones por la gran ductilidadque presentan.




2

10.1.1.1. Tipos de matrices.

.- Matrices poliméricas.

En general, las matrices poliméricas se clasifican de manera análoga a como lo hacen los

materiales poliméricos, luego serán: termoplásticas, termoestables y elastoméricas.

.- Matrices poliméricas termoplásticas.

Propiedades tales como resistencia y rigidez están relacionadas con las propiedades

inherentes a las unidades monoméricas y al peso molecular elevado.

Las matrices de termoplásticos más comunes son polipropileno, polia-midas (nylon) y policarbonato.

En la práctica puede obtenerse un amplio margen de propiedades, siendo las mascomunes la resistencia mecánica y la térmica.

.- Matrices poliméricas termoestables.

Existe una gran variedad de resinas que se utilizan como matrices ter-moestables, si bien las de poliéster y epoxi son las de mayor utilización en las diversas aplicacionesindustriales.

Las resinas de poliéster presentan una buena aptitud para impregnar las fibras de

refuerzo, obteniéndose materiales de muy buenas prestaciones mecánicas y además de peso

ligero.

.- Matrices metálicas.

Los compuestos de matriz metálica se pueden utilizar a temperaturas de servicio

mucho mayores que los de matriz polimérica, disponiendo de resistencia y módulo

específicos muy superiores dado que la densidad de la matriz metálica es relativamente baja,lo que les facilita su aplicación en el campo aeroespacial.

10.1.2. Refuerzos.

Desde el punto de vista de las aplicaciones tecnológicas, los materiales compuestosreforzados mediante fibras son los más importantes, diseñándose con el fin de alcanzar

elevada rigidez y resistencia acompañadas de cierta ligereza. Estas características seexpresan mediante el módulo específico (módulo de elasticidad/densidad) y la resistenciaespecífica (resistencia a tracción/densidad).

Cuando el refuerzo se efectúa mediante partículas refuerzo se aumenta tanto el límite

elástico como la resistencia y la dureza del material compuesto.

.- Geometría de los refuerzos.

Las propiedades finales de los materiales compuestos dependen además del tipo de




3

matriz, del tipo de refuerzo y de su geometría.

Entre las geometrías de los refuerzos que más se utilizan se encuentran las partículas

y las fibras cortas y continuas embebidas en la matriz.

En algunos materiales compuestos la geometría no sigue ninguna pauta y solo secontrola la concentración del refuerzo y no su orientación o dimensiones; este es el caso de losrefuerzos a base de partículas y fibras cortas. Cuando los materiales son de altas prestaciones

es necesario reforzarlos con fibras continuas con el fin de aprovechar al máximo sus propie-dades mecánicas.

10.1.2.1. Tipos de refuerzos.

Existen distintos tipos de refuerzos según que estos sean de partículas o de fibras. Encuanto a partículas se tienen dos grandes grupos, uno se caracteriza porque son grandes y el

otro por agrupar a aquellas partículas finas que se consolidan en la matriz mediante

dispersión.

El ejemplo más representativo del grupo de partículas grandes es el hormigón.

En cuanto a fibras existen diferentes tipos para ser utilizadas como refuerzo según quesu naturaleza sea metálica, cerámica o polimérica, siendo las más utilizadas las de vidrio,

carbono o aramida.

.- Fibras de vidrio.

La fibra de vidrio es el refuerzo más utilizado en la fabricación de materiales

compuestos dadas sus buenas cualidades, entre las que destacan su excelente adherenciafibra/matriz, sus propiedades dieléctricas y su excelente relación resistencia mecánica/coste,siendo su bajo módulo elástico su mayor inconveniente.

Las características más importantes de las fibras de vidrio corresponden a su buenaresistencia mecánica, a su excelente capacidad para aislar eléctricamente, a su

incombustibilidad, a la gran estabilidad dimensional, a su compatibilidad con muy diversasmatrices, a su baja conductividad térmica, a la permeabilidad dieléctrica que presenta, a laintegración de funciones, a su imputrescibilidad, a su resistencia a los agentes químicos y todoello con bajo precio.

.- Fibras de carbono.

Las fibras de C se obtienen por grafitización de una fibra precursora, generalmente

de poliacrilonitrilo (PAN), a la que se somete a diferentes operaciones tales como, estirado,oxidación, carbonización y grafitización. Estas fibras se eligen para aplicaciones estructurales

muy exigentes, de forma que el peso y la rigidez son criterios dominantes, mientras que el pre-

cio ocupa un lugar secundario.

.- Fibras de aramida.

Las fibras de aramida se fabrican por hilado de fibras de poliamidas aromáticas de losácidos itálico e isoftálico, conocidas como Kevlar y Nomex. La fibra Kevlar es una poliamidaaromática, en la que los anillos aromáticos confieren rigidez. Este tipo de fibras presentan una




4

resistencia a tracción del orden de 850 MN/m2 y un módulo elástico en torno a 4 GN/m2.

.- Otras fibras cerámicas.

En este grupo se incluyen las fibras de B y las fibras de Al203. Las de B se forman por deposición química en fase de vapor sobre algún filamento, normalmente C o W. Las de Al20,se emplean para evitar la reacción que se produce a elevadas temperaturas entre fibra y matriz

cuando los materiales compuestos son metálicos o cerámicos. Este tipo de fibras resultan más

caras que las de C, por lo que su uso es muy restringido.

10.1.2. Cargas y aditivos.

La industria de los materiales compuestos utiliza diferentes sustancias denominadascargas y aditivos, que convenientemente incorporadas a la matriz-refuerzo, aportan

características particulares al producto o abaratan su coste. La dosificación es variable según se

trate de cargas o de aditivos, mejorando tanto el producto acabado como la capacidad de ser procesado el material.

.- Cargas.

En cuanto al producto acabado, existen cargas que reducen el peso del material, otrasque reducen el precio y otras que aportan propiedades específicas.

En general, las cargas actúan sobre la resina aumentando su viscosidad, densidad,módulo de elasticidad, dureza y estabilidad dimensional, pero disminuyendo la resistencia a

tracción y a flexión, manteniendo sin variación su resistencia a la compresión. Estos efectos

están a su vez afectados por su granulometría, de forma que cuanto más fina sea, mejores propiedades proporcionan.

Como cargas conductoras eléctricas o térmicas, se puede disponer de polvosmetálicos de Al, Cu, Ni, Ag, Fe, de microesferas metalizadas y de negro de carbón.

.- Aditivos.

Se añaden aditivosen menor cantidad que lascargas, tales como

lubricantes internos, ylubricantes externos queemergen a la superficie de

la resina evitando la

tendencia a pegarse al

molde.

Existen otrosaditivos tales comopigmentos y colorantes, o

los agentes antiretracción

utilizados para conseguir mejores acabados

superficiales.



TEMA 11Conducción eléctrica.

1

Tema 11

Conducción eléctrica.

11.1. Portadores de carga y conducción.

La conducción eléctrica en los materiales tiene lugar por medio de especies individuales,

de escala atómica, denominadas portadores de carga. El ejemplo más simple de portadores decarga es el electrón, una partícula con una carga negativa de 0.16 x 10

18C.

El hueco electrónico es un concepto más abstracto, y consiste en la ausencia de un

electrón en una nube de electrones.

La intensidad de corriente, /, que circula por un circuito con una resistencia, R, y unvoltaje, V, fijos, viene dada por la ley de Ohm

1.

R I V .=

donde V se da en voltios2, / en amperios

3(1 A = 1 C/s) y R en ohmios.

El valor de la resistencia depende de la geometría de la muestra; R aumenta con la longitud,

/, y disminuye con el área, A. Como consecuencia, se define una propiedad característica de undeterminado material e independiente de la geometría del mismo, la resistividad, p:

l

RA= r Las unidades de la resistividad son Ώ . m.

Propiedad inversa a la resistividad es la conductividad.

r s

1=

s nq=

Cuando contribuyen a la conducción tanto portadores de carga positivos como negativos, laEcuación anterior debe desarrollarse para tener en cuenta ambas contribuciones:

p p pnnnqnqn m m s +=

Los subíndices n y p hacen referencia a los portadores de carga negativos y positivos.

11.2. Niveles y bandas de energía.

Considérese a continuación una hipotética

molécula de sodio de cuatro átomos, Na4. Losdiagramas de energía de los electrones del núcleodel átomo (1 s

22s

22p

6 ) no presentan cambios. Sin

embargo, los cuatro electrones de las órbitas externasestán afectados por el principio de exclusión de Pauli,

ya que los electrones deslocalizados son ahora

La conductividad es el producto de ladensidad de portadores de carga, n, la carga de éstos,

q, y la movilidad de cada portador, μ:




2

compartidos por los cuatro átomos de la molécula y, por tanto, estos electrones no pueden ocupar

una única órbita.

Como ocurría con el átomo aislado de Na y la hipotética molécula Na4, la banda de

energía del electrón de valencia en el sólido metálico está medio llena, lo que permite una gran

movilidad de los electrones de las órbitas externas a través del sólido. Por ser debida a loselectrones de valencia, la banda de energía de la Figura se denomina también banda de valencia.

Una importante conclusión es que los metales son buenos conductores eléctricos

porque su banda de valencia está parcialmente ocupada.

Es posible tener una visión más detallada de la naturaleza de la conducción eléctrica en losmetales considerando cómo varía la banda de energía con la temperatura. La Figura anterior

presupone que los niveles de energía en la banda de valencia están completamente llenos hasta la

mitad de la banda y completamente vacíos por encima. De hecho, esto es cierto sólo a la

temperatura del cero absoluto (OK). La siguiente figura ilustra este aspecto. La energía del

estado ocupado más alto en la banda de energía (a OK) se denomina nivel de Fermi.

Este caso límite (0 K) no conlleva conducción eléctrica, dado que los niveles de energía

por debajo de E F están llenos. Para que existiese conducción sería necesario incrementar laenergía de los electrones hasta un nivel por encima de E r (niveles vacíos), por medio de

incremento de Tª.

En resumen, los metales son buenos conductores de la electricidad porque la energíatérmica es suficiente para hacer ascender a los electrones a niveles de energía por encima del

Un aspecto importante en esta estructuraelectrónica es que, al igual que en el nivel 3s delátomo aislado, la banda 3s de la molécula de Na4

está medio llena. Como resultado, la movilidaddel electrón entre átomos adyacentes es

bastante alta.

Una sencilla extensión del efectoobservado en la hipotética molécula de cuatroátomos se puede ver en la figura de la derecha,en la cuál un gran número de átomos de sodio

están unidos por enlaces metálicos para producir

un sólido.




3

nivel de Fermi, normalmente desocupados. En estos niveles (E > E F ), la accesibilidad a los niveles

desocupados de los átomos adyacentes tiene como consecuencia una alta movilidad de loselectrones de conducción, conocidos como electrones libres, a través del sólido.

Silicio es un semiconductor, ya que que, a temperatura ambiente (298 K), la energía

térmica hace ascender a un número de electrones pequeño pero significativo desde la banda devalencia a la de conducción. El ascenso de un electrón crea un par de portadores de carga, llamadopar electrón-hueco.

11.3. Conductores.

Son aquéllos que tienen altos valores de conductividad, del orden de 10 x 106Ώ

-1. m

-1.

La expresión general de la conductividad, puede reescribirse para los materialesconductores como:

eeeqn m s = donde el subíndice e hace referencia a la conducción eléctrica pura.

pueden moverse a través de la estructura cristalina de forma más efectiva cuando ésta es casi perfecta.

La magnitud de la resistividad en conductores típicos es del orden de 0.1 x 106

Q- m. Deforma similar, la resistividad se incrementa a medida que la temperatura supera la temperatura

ambiente. Esta relación se utiliza con más frecuencia debido a que se ha demostradoexperimentalmente que la resistividad aumenta de forma lineal con la temperatura por encima

de la temperatura ambiente.

La caída de laconductividad es debida, principalmente, a la menor movilidad del electrón, a

medida que aumenta latemperatura.

La disminución de

movilidad en el electrón

puede ser atribuida a un

incremento de la agitación

térmica de la estructura

cristalina del metal conformese incrementa la temperatura.

Debido a la naturalezaondulatoria de los electrones,estos « a uetes de ondas»

Cuandose añaden

pequeñascantidades de

impurezas a unmetal puro, elincremento de p

es casi lineal

con la cantidadde impurezas

añadidas




4

Es necesario recordar que la grafica de la derecha es aplicable sólo para pequeñas

cantidades de x. Para grandes cantidades de x, p se vuelve una función no lineal de x. Un buen

ejemplo se muestra en la Figura de la izquierda, para una aleación oro-cobre.

La razón por la cual la resistividad aumenta con la adición de impurezas está

íntimamente relacionada con la razón por la que la temperatura incrementa la resistividad. Losátomos de impurezas disminuyen el grado de perfección cristalina del metal puro .

.- Termopares.

Los semiconductores tienen normalmente un efecto Seebeck mucho más pronunciado quelos metales. Esto se debe a la naturaleza exponencialde la conductividad en función de latemperatura en los materiales semiconductores. Como resultado, la medida de temperaturamediante materiales semiconductores (termistores) permite medir cambios de temperatura

extremadamente pequeños (10-6 o

C).

.- Superconductores.

La resistividad de los metales decae a medida que la temperatura decrece.Aun a temperaturas extremadamente bajas (de unos pocos grados Kelvin), los metales

típicos presentan una conductividad finita (la resistividad no es nula). Existen unos pocos

Una importante aplicación de los materiales conductores esla medida de la temperatura. En la Figura 15.14 se muestra unsencillo circuito, conocido como termo-par, consistente en doshilos de metal, para realizar la medida. La efectividad del termopar

puede ser atribuida en última instancia a la sensibilidad a la

temperatura de la función de Fermi (Figura 15.7). En un metaldeterminado (A en la Figura 15.14) conectado entre dos

temperaturas diferentes, T x (caliente) y T 2 (fría), se excitan más

electrones en el extremo caliente que en el frío. Esto provoca laaparición de una fuerza que impulsa a los electrones desde elextremo caliente al frío. El extremo frío queda entonces cargado

negativamente y el caliente positivamente con un voltaje, VA,

entre los extremos del hilo. Una importante característica de este

fenómeno es que VA depende únicamente de la diferencia de

temperaturas entre los extremos del hilo, T1 - T2 , y no de ladistribución de temperaturas a lo largo del hilo. Sinembargo, para realizar la medida del voltaje se requiere unsegundo hilo (metal B en la Figura 15.14), en el que se encuentraun voltímetro. Si el metal B es del mismo material que el metal A,habrá también una diferencia de potencial VA inducida en el metal B

y el voltímetro medirá un voltaje neto de 0 V (V12 = VA – VB = 0 V). No obstante, si se usan metales distintos, éstos provocarán

diferentes caídas de potencial entre los extremos de los hilos. Engeneral, para un metal B diferente del metal A, el voltímetro de laFigura 15.14 marcará un voltaje neto, V12 = VA - VB. El valor de VI2

aumentará a medida que se incremente la diferencia de temperaturaentre los extremos. El voltaje inducido es denominado potencial de

Seebeck y el fenómeno completo, que se ilustra en la Figura 15.14,

se denomina efecto Seebeck.




5

materiales que constituyen una excepción.

En 1993, la sustitución del Hg por TI llevó a una Tc de 133 K. Las recientesinvestigaciones indican que, bajo presiones extremadamente altas (por ejemplo, 235 000 atm), la Tc

de este material puede aumentar hasta 150K.

Numerosos trabajos continúan centrándose en tratar de incrementar la T c , con la esperanza

de que tenga lugar algún descubrimiento que pueda acelerar la proximidad de la meta final:conseguir un material superconductor a temperatura ambiente.

Paradójicamente, las vibraciones reticulares, que son la fuente de la resistividad en

los conductores normales, son la base de la superconductividad en los metales. A temperaturaslo suficientemente bajas, tiene lugar un efecto de reordenación de los electrones y los átomos de lared.

La promesa que produjo el incremento de T c ha encontrado un obstáculo en otro parámetro

importante de los materiales, la intensidad crítica, definida como el flujo de corriente para el cualel material deja de ser superconductor.

Por desgracia, la limitación en la densidad de corriente se vuelve más crítica a medida

que se incrementan los valores de Tc.

11.4. Aislantes.

Los aislantes son materiales con baja conductividad, la cula toma valores desde 10-10

hasta 10-6Ώ

-1. m

-1

Esta reducción de la conductividad en comparación con los metales típicos, es elresultado de una separación entre bandas mayor que 2 eV (en los metales esta separación esnula).

En muchos casos, el pequeño grado de conductividad de los aislantes no es producido

por los electrones que han superado la separación gracias a la excitación térmica, sino que sedebe a los electrones asociados con las impurezas del material.

Al llegar a una determinada temperatura crítica (Tc),la resistividad del mercurio se reduce bruscamente a cero (se

convierte en superconductor).

Se han encontrado otros muchos materiales, el

niobio, vanadio, plomo, y sus aleaciones son buenos ejemplosEn un superconductor dado, la temperatura de transi-

ción se reduce si se incrementa la intensidad de corriente odel campo magnético.

En 1988 una cerámica de TI—Ba—Ca—Cu—O

mostró esta propiedad a una temperatura Tc de 127 K.

La Figura muestra la distribución de cargas en unatípica aplicación de los aislantes, o dieléctricos, uncondensador de placas paralelas. A escala atómica, ladistribución de carga se debe a la alineación de los dipoloseléctricos en el interior del dieléctrico.

Aparece una densidad de carga, D (en unidades deC/m2), que es directamente proporcional al campo eléctrico

aplicado, E (en V/m),

E D e =

donde la constante de proporcionalidad, e, se denominapermitividad eléctrica del dieléctrico y tiene unidades de C/(V

• m).




6

.- Ferroeléctricos.

El titanato de bario (BaTi03), tiene una estructura cristalina del tipo de la perovski-ta, estaeestructura cúbica, se presenta cuando se encuentra por encima de los 120 °C. Enfriando por debajo de los 120°C, el BaTi03 sufre una transformación, pasando a una estructura tetragonal.

La temperatura de transformación (120°C) se denomina temperatura crítica, T c , de manerasimilar a la denominación utilizada en la superconductividad. Se dice que el BaTi03 es

ferroeléctrico por debajo de T c. Esto es, puede sufrir una polarización espontánea.

Los materiales ferroeléctricos pueden tener polarización nula bajo un campo eléctricoaplicado nulo debido a la orientación aleatoria de los dominios de escala microscópica.

Bajo la aplicación de un campo eléctrico las orientaciones de los dipolos de la celdaunidad que son aproximadamente paralelas al campo eléctrico aplicado se ven favorecidas. En este

caso, los dominios con tales orientaciones «crecen» a expensas del resto, los de orientación menosfavorecida. El mecanismo del movimiento de las fronteras de los dominios es simplemente un pe-queño desplazamiento de los iones en el interior de la celda unidad.

Este movimiento de las fronteras de los dominios tiene como consecuencia unapolarización espontánea.

.- Piezoeléctricos.

Las aplicaciones más comunes de los ferroeléctricos derivan de un fenómeno muyrelacionado, la piezoelectricidad.

Los materiales piezoeléctricos dan una respuesta eléctrica a la aplicación de una presiónmecánica. Por el contrario, las señales eléctricas pueden hacer de ellos generadores de presión.

piezoeléctrico inverso, en el cual la aplicación de voltaje cambia la polarización del material

piezoeléctrico y, en consecuencia, su espesor.

11.5. Semiconductores.

Los semiconductores son materiales que tienen una conductividad en un intervalo de 10-4

a

10-4Ώ

-1. m

-1

En el ejemplo del silicio puro de la Figura el número de electrones de conducción es

igual al número de huecos electrónicos. Los semiconductores elementales puros de este tipo se

denominan semiconductores intrínsecos.

Lossemiconductores extrínsecos,

semiconductores con pequeñas cantidades deimpurezas cuidadosamente controladas.

Esta habilidad para convertir energíaeléctrica en energía mecánica, y viceversa,es un buen ejemplo de transductor, que,en general, es un dispositivo para convertir una forma de energía en otra. La Figura

representa las funciones de un transductor piezoeléctrico. La Figura 15.25a, muestra elefecto piezoeléctrico directo, en el cual laaplicación de presión produce un cambio devoltaje en el material piezoeléctrico. LaFigura 15.25b ilustra el efecto




7

La conducción de los huecos electrónicos en la banda de valencia es un concepto

relativo. De hecho, los huecos electrónicos sólo existen en relación con los electrones de

valencia; es decir, un hueco electrónico es un electrón de valencia que falta.

11.6. Materiales Compuestos.

No hay un valor de conductividad característico en los materiales compuestos.

Los materiales compuestos son definidos en función de los cuatro tipos fundamentales demateriales.

Anteriormente se mostró que muchas propiedades de los materiales compuestos, incluidala conductividad eléctrica, son sensibles a la geometría

117. Clasificación de Materiales.

Las cuatro categorías fundamentales de materiales definidas por el enlace atómico, se

ordenan ahora sobre la base de su capacidad para conducir electricidad.



TEMA 12Semiconductores.

1

Tema 12

Semiconductores.

12.1. Semiconductores elementales Intrínsecos.

Para un sólido como el silicio puro, la conducción es el resultado de la promoción térmicade los electrones desde una banda de valencia llena a una banda de conducción vacía. Debido a quela densidad de los electrones de conducción (nn ) es idéntica a la densidad de los huecoselectrónicos (n p ), se puede escribir de nuevo la Ecuación de los metales de la siguiente manera:

)( henq m m s +=

12.2. Semiconductores elementales Extrínsecos.

La semiconducción intrínseca es una propiedad de los materiales puros. La semi-

conducción extrínseca resulta de la adición de impurezas conocidas como do-pantes, y al proceso de adición de estos componentes se lo llama dopado.

Las impurezas en los semiconductores son añadidas, cuidadosamente, después de que elmaterial intrínseco ha sido preparado con un alto grado de pureza química.

Hay dos tipos distintos de semiconducción extrínseca: (1) tipo n , en el cual predominanlos portadores de carga negativa, y (2) tipo p , donde predominan los portadores de carga positiva.

12.2.1. Semiconductores Tipo n.

La adición de un átomo del grupo V A, como el fósforo, en solución sólida en un cristalde silicio del grupo IV A afecta a la estructura de la banda de energía del semiconductor.

Cuatro de los cinco electrones de valencia en el átomo de fósforo se necesitan para enlazar con

La conductividad de los semiconductores

aumenta al aumentar la temperatura, como se puedever en la figura.

Los semiconductores elementales intrínsecos delgrupo IV A de la tabla periódica son el silicio (Si), elgermanio (Ge) y el estaño (Sn). Los tres materialestienen valores pequeños de E g .

El silicio es a la industria electrónica lo que elacero es a las industrias de la construcción y losautomóviles.

El fósforo es un dopante tipo n porquetiene cinco electrones de valencia. El electrón

extra puede fácilmente convertirse en un electrónde conducción (un portador de carga negativa).Por otra parte, el aluminio es un dopante tipo p

porque tiene tres electrones de valencia. Estadeficiencia de un electrón (frente a los cuatroelectrones de valencia del silicio) puede producir fácilmente un hueco electrónico (un portador positivo de carga).




2

los cuatro átomos de silicioEl electrón extra, que no se necesita para el enlace, es relativamente inestable y produce un

nivel donante (Ed) cerca de la banda de conducción. Como resultado, la barrera de energía quedebe superarse para formar un electrón de conducción (Eg - Ed) es sustancialmente menor queen el material intrínseco (Eg). La posición relativa de la función de Fermi se muestra en la Figura deabajo. Debido a los electrones extras del proceso de dopado, el nivel de Fermi (EF) se desplazahacia arriba.

Ya que los electrones proporcionados por los átomos del grupo V A son en su mayor parte portadores de carga, la ecuación de la conductividad es la siguiente:

enqm s =

12.2.2. Semiconductores Tipo p.

Cuando un átomo del grupo IIIA, como el aluminio, se combina en una solución sólida conel silicio, tiene sólo tres electrones de valencia, es decir, uno menos de los necesarios para enlazar a los cuatro átomos de silicio adyacentes. La Figura de abajo muestra que el resultado en laestructura de la banda de energía del silicio es un nivel aceptor cerca de la banda de valencia. Unelectrón de valencia del silicio puede ascender fácilmente, generando un hueco electrónico (un portador de carga positiva).

La ecuación de la conductividad es

hnqm s =

¿Cómo se sabe si un determinado conductor es de tipo n o p?

La distinción puede hacerse convenientemente mediante un clásico experimento conocidocomo medición del efecto Hall

1. Se trata de una manifestación de la íntima relación entre el

comportamiento eléctrico y magnético. En particular, un campo magnético aplicado perpendicularmenle respecto a un flujo de corriente causa una deflexión lateral de los portadoresde carga y consecuentemente se genera un voltaje a través del conductor. Para portadores decarga negativos (por ejemplo, electrones en metales o semiconductores tipo n), el voltaje Hall (V H )




3

es positivo. Para portadores de carga positivos (por ejemplo, huecos electrónicos en unsemiconductor tipo /?), el voltaje de Hall es negativo. El voltaje de Hall está dado por

t

IH RV H

H =

12.3. Compuestos Semiconductores.

Los compuestos III-V son composiciones MX, siendo M un elemento de valencia 3 + y Xun elemento de valencia 5 +. La valencia promedio, 4 +.

De forma similar, los compuestos II-VI combinan un elemento de valencia 2 + con unode valencia 6 +. Un promedio de cuatro electrones por átomo es una buena regla.

Pero, como en todas las reglas, hay excepciones. Algunos ejemplos son los compuestos IV-V1 (como el GeTe). El Fe304 (= FeO • Fe203) es otro. La alta movilidad de los electrones estáasociada con intercambios de Fe2+ y Fe3 +. Los compuestos puros III-V y los compuestos II-VI son

semiconductores intrínsecos.

12.4. Semiconductores Amorfos.

Anteriormente se señaló la ventaja económica de los semiconductores amorfos (no

cristalinos). Sin embargo, estos materiales aún no reemplazan en gran escala a lossemiconductores cristalinos tradicionales.

Sin embargo, el desarrollo comercial de los semiconductores amorfos parece estar en elumbral de un amplio mercado. En la actualidad, estos materiales constituyen aproximadamente

un cuarto del mercado fotovoltaico (celdas solares) para artículos portátiles. Con los costes deenergía aproximándose a los de los combustibles nucleares y fósiles, los semiconductoresamorfos, a la larga, podrían constituir una práctica fuente de energía en los países del Tercer Mun-do

12.5. Procesado de Semiconductores.

La característica más sobresaliente del procesado de los semiconductores es la capacidad

Comparación entre semiconductores y

metales.

Los efectos de la composición y latemperatura en los semiconductores son contrarios alos de los metales.

Para los metales, pequeñas adiciones de

impurezas e incrementos de temperatura

disminuyen la conductividad.

Ambos efectos se deben a las reduccionesen la movilidad del electrón como resultado de lasreducciones en el orden cristalográfico. Se ha visto

que en los semiconductores el incremento detemperatura y las impurezas apropiadasaumentan la conductividad. Ambos efectos sedescriben mediante el modelo de banda de energía

la le de Arrhenius.




4

de producir materiales con una perfección estructural y química sin paralelo.A continuación de la producción de los cristales, éstos se corlan en finas obleas,

generalmente con una hoja o un cable impregnados con diamante. Después de lijarlas y pulirlas,las obleas están listas para la complicada secuencia de pasos necesaria para construir unmicrocircuito. La perfección estructural del cristal semiconductor original es el resultado de latecnología altamente desarrollada de crecimiento de cristales. La perfección química se debe a untratamiento térmico especial previo al paso del crecimiento del cristal.

12.6. Dispositivos Semiconductores.

Los circuitos eléctricos miniaturizados son el resultado de la combinación de materialessemiconductores de tipo n y de tipo p. Un sencillo ejemplo es el rectificador, o diodo.

Éste contiene una sola unión p-n, esto es, un-límite entre regiones adyacentes demateriales tipo p y tipo n.

Cuando se aplica voltaje al dispositivo, como se muestra en la Figura b, los portadores de carga sealejan de la unión (los huecos, positivos, hacia el electrodo negativo, y los electrones, negativos,

hacia el electrodo positivo). Esto se conoce como polarización inversa y sólo puede fluir unamínima corriente.Al invertir el voltaje se produce una polarización directa, como muestra la Figura c. En

este caso, la mayor parte de los portadores de carga de cada región fluyen hacia la unión dondecontinuamente se recombinan (cada electrón llena un hueco electrónico). Esto permite un flujocontinuo de comente en todo el circuito. El flujo de electrones en el circuito externo proporcionauna fuente de huecos electrónicos en el electrodo positivo (al sacar electrones) y una fuente deelectrones en el electrodo negativo.

El diodo ideal no permite flujo de corriente cuando se encuentra en polarización inversa ytiene una resistencia nula en polarización directa. El dispositivo real permite el flujo de una pequeña cantidad de corriente en polarización inversa (por los portadores minoritarios) y ofrece una pequeña resistencia en polarización directa.

Transistor.

Este dispositivo consiste en un par de uniones p-n muy juntas. Las tres regiones deltransistor se denominan emisor, base y colector. La unión 1 (entre el emisor y la base) tiene polarización directa

La recombinación de electrones y huecos mostrada no ocurre de forma inmediata. Dehecho, muchos de los portadores de carga se mueven mucho más allá de la unión. Si la región de

la base (tipo n) es lo suficientemente estrecha, una gran cantidad de huecos (exceso de portadoresde carga) atraviesan la unión 2. La región de la base tiene típicamente menos de 1/im de ancho.




5

Una vez en el colector, los huecos se mueven de nuevo libremente (como portadores decarga mayoritarios). La cantidad de huecos electrónicos que sobrepasan la unión 1 es una

función exponencial del voltaje del emisor, Ve. Debido a esto la corriente en el colector, Ic, es unafunción exponencial de Ve

BV

c

c

e I I

/

0=

Un sofisticado microcircuito eléctrico puede ser fabricado mediante la aplicación precisa

de patrones de difusión de dopantes tipo n y p para producir numerosos elementos en una únicaoblea de cristal de sílice o chip.

Una oblea típica tiene 150 mm de diámetro y 250 fim de ancho, con chips de entre 5 y 10mm de lado.

En resumen, los dispositivos semiconductores han revolucionado la vida moderna, permitiendo la miniaturización de los circuitos electrónicos.· La sustitución de elementos tradicionales como diodos y transistores con elementos

equivalentes en estado sólido inició esta revolución.· El desarrollo de microcircuitos integrados la aceleró. La miniaturización continúa

reduciendo el tamaño de los elementos del microcircuito.· En principio la miniaturización de la electrónica fue dirigida por la industria aeroespacial, en

la que las computadoras y circuitería deben ser pequeñas y de bajo consumo.· La constante y notable reducción de coste que ha acompañado estos desarrollos ha llevado a

un aumento en su utilización en la producción y control industrial, así como en la electrónicade consumo.

· Los importantes cambios en la tecnología no son en ningún lugar tan evidentes como en elámbito de las computadoras. Además de la amplificación de las señales eléctricas, lostransistores y diodos pueden servir también como dispositivos de conmutación (interruptores).Esta aplicación es la base de las funciones de cálculo y almacenamiento de información de las

computadoras. Los elementos del micro-circuito pueden presentar dos estados («cerrado»o «abierto») de la aritmética binaria de los circuitos digitales.

· La función de Fermi indica que el número de portadores de carga aumenta de formaexponencial con la temperatura.

· Las mediciones de efecto Hall pueden distinguir entre conducción tipo n y tipo p.· Las principales propiedades eléctricas que se necesitan para caracterizar un semiconductor

intrínseco son la separación entre bandas, movilidad de electrones, movilidad de huecos ydensidad de electrones de conducción (densidad de huecos electrónicos) a temperaturaambiente.

· Los compuestos semiconductores tienen usualmente una composición MX, con una media decuatro electrones de valencia por átomo. Los compuestos III-V y II-VI son ejemplos típicos.

El transistor es un amplificador, yaque un ligero aumento en el voltaje del emisor produce un gran incremento en la corriente delcolector

Un sistema n-p-n funciona de forma

similar, con electrones en lugar de huecoselectrónicos como fuente global de comente.



TEMA 13Materiales Magnéticos.

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Tema 13

Materiales Magnéticos.

13.0. Introducción.

Los imanes metálicos normalmente se clasifican como «blandos» o «duros» de-

pendiendo de su comportamiento magnético. Esta nomenclatura está convenientemente asociada

con la dureza mecánica. Los primeros ejemplos de materiales magnéticos blando s son lasaleaciones hierro-silicio, utilizadas habitualmente en aplicaciones de potencia eléctrica, donde la

magnetización de la aleación se invierte con facilidad. En contraste, ciertas aleaciones son imanesduros , útiles como imanes permanentes.

Los imanes cerámicos son ampliamente utilizados.Los cerámicos superconductores, están proporcionando mayores temperaturas de

operación y, por lo tanto, mayor potencial de aplicación.

13.1. Magnetismo.

Un anillo de corriente eléctrica genera una región de atracción física, o campo magnético,

representado por un conjunto de líneas de flujo magnético. La intensidad y dirección del campomagnético en un determinado punto cercano al anillo de corriente viene dada por H, una magnitud

vectorial.

En el espacio libre que rodea a una fuente de campo magnético, es posible definir lainducción, B, cuya magnitud es la densidad de flujo. La inducción está relacionada con el campo

magnético, H, por:

H B 0m =

donde μ0 es la permeabilidad del vacío. Si un sólido es introducido en el campo magnético, laintensidad de la inducción será:

H B m =

donde μ es la permeabilidad del sólido.

l

V

A

I

l

RA IRV s

r s r =Þ=®=®=

1

Aquí l/A es la densidad de corriente y V/l es el gradiente de voltaje.La presencia de un sólido ha modificado la inducción. La contribución por separado del

sólido se observa en la expresión)(0 M H H B +== m m




2

donde M se denomina magnetización del sólido, y el término μ0M representa el campo magnético

inducido «extra» asociado al sólido.

Algunas veces es conveniente describir el comportamiento magnético de un sólido enfunción de su permeabilidad relativa:

0m

m m =r

reforzándolo. En la Figura se ve un gráfico de B-H para estos dos tipos de materiales.

Desde el punto de vista de las propiedades magnéticas, el gráfico B-H es

comparable al gráfico σ-ε del comportamiento mecánico.

13.2. Ferromagnetismo.

Br con un campo magnético H= 0. Para eliminar esta inducción remanente, el campo debeser invertido. Así, B se reduce a cero cuando se alcanza un campo coercitivo (a veces denominadofuerza coercitiva) HC Al continuar aumentando la magnitud del campo invertido, el material

puede saturarse de nuevo (en una inducción -BS ). Como antes, aparece una inducción remanente(-Br ) cuando el campo es eliminado. La línea discontinua de la Figura de arriba representa lamagnetización inicial, pero la línea continua representa un camino completamente reversible que

Algunos sólidos, como los altamenteconductores cobre y oro, tienen permea-

bilidades relativas ligeramente menores que 1(del orden de 0.99995 para ser exactos). Tales

materiales presentan diamagnetismo. Enefecto, la estructura electrónica de losmateriales responde al campo magnético

aplicado creando un campo ligeramenteopuesto. Un gran número de sólidos tienen

permeabilidades relativas ligeramentesuperiores a 1 (entre LOO y 1.01). Talesmateriales presentan para-magnetismo. Suestructura electrónica les permite generar uncampo magnético paralelo al campo aplicado,

En algunos materiales la inducción seve acusadamente incrementada con la inten-

sidad del campo. La Figura de la derecha ilustraeste fenómeno (conocido comoferromagnetismo), que presenta unimportante contraste con el comportamiento

lineal simple de la Figura anterior.Tras un pequeño incremento del

campo, tiene lugar un pronunciado aumento de

la inducción. Con un mayor aumento de la

intensidad del campo, la intensidad de lainducción alcanza la inducción de saturación,

BS.

Tan importante como el alto valor deBs es el hecho de que mucha de esa inducción

se mantiene tras la desaparición del campo(flechas hacia la izquierda): la inducción caehasta un valor no nulo, inducción remanente,




3

puede ser recorrido continuamente mientras el campo continúe aumentando y disminuyendo

cíclicamente entre los extremos indicados. La línea continua se conoce como ciclo de histéresis.

CICLOS QUE SIGUE EL CICLO DE HISTERESIS.

· 1º.- Al aumentar H, aumenta B hasta BS, denominada Inducción de Saturación.

· 2º.- Al dejar de aplicar H, cae B hasta BR , denomina Inducción Remanente, con H=0.

· 3º.- Invertimos el campo magnético H, para eliminar BR .

· 4º.- Obtenemos HC denominado Campo Coercitivo, cuando B=0.

· 5º.- Al aumentar H invertido, obtenemos –BS.

· 6º.- Dejamos de aplicar H y obtenemos –BR , cuando H=0.

magnéticos. Tomando volúmenes iguales de momentos orientados de forma opuesta, el efectoneto es una inducción nula. El notable aumento de la inducción durante la magnetización inicial

se debe a que una fracción importante de los momentos atómicos se orienta según una dirección paralela a la del campo aplicado (Figuras superiores). En efecto, los dominios favorablemente

orientados con el campo aplicado «crecen» a expensas de aquéllos que no lo están.

La magnitud del dipolo magnético o mo-

mento magnético debido al espín del electrón es el

magnetón de Bohr

En una capa atómica llena, los electrones

están emparejados con electrones de espín opuesto,

proporcionando un momento magnético neto nulo0=-+ B B m m (+ = 0).

Los elementos de transición, son loselementos de la tabla periódica que presentan un

cambio gradual desde los elementos fuertementeelectropositivos de los grupos IA y IIA a los elementosmás electronegativos de los grupos I B y II B.Cada electrón desapareado contribuye con unmagnetón de Bohr a la «naturaleza magnética» del

metal.

Si los átomos adyacentes de una estructura cristalinatienen sus momentos magnéticos alineados, el resultado es unsustancial momento magnético en el bloque cristalino (Figuraderecha). La tendencia de los átomos adyacentes a alinear susmomentos magnéticos es una consecuencia de la interacción

de intercambio entre los espines de electrones de átomosadyacentes

La Figura de la derecha muestra cómo es posible un alto valor de inducción (B s ), pero también surge una nueva pregunta en

cuanto a cómo la inducción puede llegar a cero.

La microestructura está

compuesta por dominios magnéticos,que tienen una apariencia similar a los

granos policristalinos. Sin embargo, estailustración representa un único cristal.Todos los dominios magnéticos tienen

una dirección cristalográfica común.

Los dominios adyacentes difieren, no

en la orientación cristalográfica, sino

en la orientación de los momentos




4

13.3. Ferrimagnetismo.

El ferromagnetismo es la base de la mayoría de los imanes metálicos . Los imanescerámicos se basan en un fenómeno ligeramente diferente.

En cuanto a la histéresis, el comportamiento es básicamente el mismo. Sin embargo, la

estructura cristalina de la mayoría de los cerámicos magnéticos comunes implica unemparejamiento antiparalelo (paralelos pero con sentidos contrarios) de los espines de loselectrones, reduciendo por tanto el momento magnético neto que es posible alcanzar en losmetales. Este fenómeno se distingue del ferromagnetismo mediante un nombre ligeramentediferente, denominándose ferrimagnetismo.

Los imanes cerámicos comerciales más importantes están asociados con la estructura

cristalina de la espinela (MgAI204).

13.4. Imanes Metálicos.

Imanes Blandos.

La mayor utilización de los materiales magnéticos tiene lugar en la generación de potencia.Un ejemplo es el núcleo ferromagnético de un transformador. Esta aplicación requiere un imán

blando. El área encerrada por el ciclo ferromagnético de histéresis representa la energía consumida

en el recorrido de todo el ciclo. En aplicaciones de potencia de corriente alterna (ca) el ciclo deberecorrerse a frecuencias de 50 a 60 Hz (hercios, o ciclos por segundo) e incluso mayores.

Como resultado, la pequeña área encerrada por el ciclo de histéresis de un imánblando (Figura superior) proporciona una fuente mínima de perdidas de energía.

Por supuesto, es importante que el área sea pequeña, pero también es igualmente deseable

una alta inducción de saturación BS, para minimizar el tamaño del núcleo del transformador.

Una segunda fuente de pérdidas de energía en aplicaciones de energía alterna es lageneración de una corriente eléctrica oscilante (corriente inducida) provocada por un campo

magnético oscilante. Las pérdidas de energía provienen directamente del calentamiento Joule6

(=IR ,

donde / es la corriente y R es la resistencia). Estas pérdidas se pueden reducir incrementando laresistividad del material. A primera vista, el incremento de resistividad puede parecer que incre-menta el término l

2.R porque es proporcional a la resistencia, R. Pero la reducción de corriente, /,

elevada al cuadrado, compensa sobradamente el incremento de R (I2R = [V

2/R

2]R =V

2/R).

Por esta razón las aleaciones hierro-silicio de alta resistencia han sustituido a los acerosal carbono no aleados en aplicaciones de potencia de baja frecuencia. La adición de silicio

Los imanes metálicos comerciales másimportantes son ferromagnéticos. En general, esosmateriales se clasifican como blandos o duros. Los

materiales ferro-magnéticos con paredes dedominios magnéticos que se mueven fácilmentecuando se aplica un campo se denominan imanes

blandos. Aquellos con menor movilidad de las

paredes de los dominios se denominan imanes

duros. Los factores estructurales y constitutivos

que llevan a la dureza magnética son generalmentelos mismos que los que provocan la dureza

mecánica. La apariencia relativa del ciclo dehistéresis de los materiales duros y blandos se

muestra en la Figura de la derecha.




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también incrementa la permeabilidad magnética y, consecuentemente, BS..

Imanes Duros.

Son ideales como imanes permanentes. El gran área contenida en el ciclo de histéresis,que implica grandes pérdidas en corriente alterna, define simultáneamente la «potencia» de unimán permanente. Concretamente, el producto de B y H en la zona de desmagnetización del

ciclo de histéresis alcanza un valor máximo, (BHmax) que es una medida de esta potenciaEn el ámbito comercial son especialmente importantes las aleaciones de alnico.

Imanes Superconductores.

Los imanes metálicos superconductores hacen posible los solenoides de alto campo sin

consumo continuo de energía y los circuitos de computadora de alta velocidad de

conmutación. La principal barrera para una mayor aplicación ha estado en la relativamente baja

temperatura crítica, TC, a partir de la cual se pierde el comportamiento superconductor.

13.5. Imanes Cerámicos.

Los imanes cerámicos pueden dividirse en dos categorías.· Los tradicionales tienen la baja conductividad característica de la mayoría de los cerámicos.· Los imanes superconductores más potentes pertenecen a una nueva familia de óxidos

cerámicos.

Imanes de Baja Conductividad.

Los imanes cerámicos tradicionales, de importancia comercial, son ferrimagnéticos. Los principales ejemplos son las ferritas

Las aleaciones de acero para los núcleos de transformador eran seleccionadas para tener

una resistividad máxima que minimizara las pérdidas por corriente inducida. En aplicaciones de altafrecuencia, las aleaciones no metálicas tienen una resistividad lo suficientemente alta para prevenir

las pérdidas por comente inducida.Las altas resistividades características de los cerámicos hacen de las ferritas el

material apropiado para tales aplicaciones. (núcleos de transformador).

Otro grupo es el de los granates, que tienen una estructura cristalina similar a la de la

gema natural, Al2Mg3Si3012.

Tanto las ferritas como los granates son imanes blandos.

Se han desarrollado algunos cerámicos

que son magnéticamente duros. Un ejemploimportante son las magnetoplumbitas. Los de

mayor interés comercial son el estroncio, bario y plomo.

Los imanes permanentes fabricados conestos materiales se caracterizan por un alto campo

coercitivo y bajo coste. Tienen aplicaciones en

pequeños motores de corriente continua,altavoces de radio y cerraduras magnéticas.

El principio general de grabaciónmagnética se ilustra en la Figura de la derecha.

Los datos se escriben en la cinta o disco por la señal eléctrica en la bobina, que genera un




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campo magnético a través del hueco en la cabeza de grabación.

La misma cabeza puede leer los datos almacenados, según se muestra en la Figura.Las cabezas de grabación se hacen de ferritas de cerámica tales como ferrita del cinc-

níquel y ferrita del cinc-manganeso.

Imanes Superconductores.

La superconductividad en los metales ha estado asociada con un conjunto limitado demetales y aleaciones.

Una familia específica de óxidos cerámicos, tradicionalmente incluidos en la categoría de

aislantes, presentaban superconductividad con valores de T c sensiblemente mayoresSe contrastó el favorable aumento en la temperatura crítica, T c , con la desfavorable

limitación de la intensidad crítica. Hay una tercera propiedad importante de los materialessuperconductores, denominada campo magnético crítico, por encima del cual el material deja deser superconductor. A diferencia de la intensidad crítica, el campo magnético crítico aumenta con

la temperatura crítica en materiales de alta T C .

.- RESUMEN.

· La principal herramienta para caracterizar los materiales magnéticos es el gráfico B-H.

· El diamagnetismo y paramagnetismo presentan curvas B-H lineales, con pequeñas

pendientes y escasa importancia comercial.

· Un gráfico B-H altamente no lineal, llamado ciclo de histéresis, es característico delferromagnetismo.

· La magnitud del campo coercitivo (H c ) necesario para reducir a cero la inducción indica si el

material es un imán blando (bajo HC) o duro (alto HC).

· Un pequeño área dentro del ciclo de histéresis de B-H ocasiona pequeñas pérdidas deenergía en aplicaciones en corriente alterna.

· Un incremento en la resistividad, en comparación con la de los aceros al carbono, reduce las

pérdidas por corriente inducida.

· El ferrimagnetismo es un fenómeno muy relacionado con el ferromagnetismo. Se presenta en

compuestos cerámicos magnéticos.



TEMA 14Selección de materiales.

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Tema 14

Selección de materiales.

14.1. Selección de materiales electrónicos y magnéticos. Estudio de casos.

Los materiales en estado sólido se clasifican en una de estas tres categorías: conductor,

aislante o semiconductor. La selección de un conductor viene determinada frecuentemente tanto por

su conformabilidad y su coste, como por sus valores específicos de conductividad. La selecciónde un aislante puede estar dominada también por estos mismos factores.

· Las aleaciones hierro-silicio han sustituido en gran parte a los aceros al carbono como imanes blandos debido a sus menores efectos de calentamiento Joule.

· Se han desarrollado diversas aleaciones con ciclos de histéresis grandes para imanes duros.

· La alta resistividad de los cerámicos hace que materiales como las ferritas sean la selecciónadecuada para las aplicaciones a alta frecuencia.

.- Metal amorfo para la distribución de energía eléctrica.

El desarrollo de metales amorfos en las décadas recientes ha proporcionado una nueva

opción para los núcleos del transformador.Una llave a la competitividad de los metales amorfos es la ausencia de límites de grano,

que hace más fácil el movimiento de las paredes de dominios.

Como los costes de fabricación para cintas y alambres amorfos se han reducido, la

conservación de energía debido a las pérdidas bajas en los núcleos de transformador ha llevado a suutilización comercial.

El reemplazo del acero del silicio por los metales amorfos ha disminuido las pérdidas enlos transformadores hasta un 75 por ciento.

La sustitución por metales férreos amorfos de los aceros al silicio no está, sin embargo,exenta de desafíos de diseño. El metal amorfo tiende a ser más duro y más frágil que el acero del

silicio. Las instalaciones con transformador de metal amorfo deben ser compatibles con los sistemasde energía eléctrica existentes de distribución y deben sobrevivir más de 30 años de serviciocontinuo.

Fe80 B11 Si9 es la aleación amorfa más frecuentemente usada para aplicaciones de la

energía. Aunque su inducción de saturación es solamente el 80 por ciento del valor para el acero alsilicio, la aleación amorfa genera solamente el 30 por ciento de pérdidas.

Dada la geometría más fina y el comportamiento mecánico más frágil de aleacionesamorfas, el diseño del transformador se ha modificado algo en la comparación con el de acero

al silicio. Las delgadas láminas amorfas se agrupan en un paquete, lo que hace el conjunto másmanejable.

.- Sustitución de un polímero termoestable por un termoplástico.

El poliéster termoplástico proporciona unas propiedades comparables a las del

termoestable (resistencia a arcos de alto voltaje y a la ignición por calentamiento del cable,capacidad para soportar el calor de soldadura, y resistencia para soportar las tensiones mecánicasimpuestas al enrollar la bobina de cable conductor). La preferencia por el termoplástico es, en



TEMA 14Selección de materiales.

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este caso, principalmente económica. Aunque el fenólico tiene un precio unitario inferior al del

poliéster, éste permite un ahorro importante en los costes de fabricación debido a la granflexibilidad del procesado de los termoplásticos.

.- Soldadura de la aleación metalica para la tecnología “Flip-Chip”.

En el conexionado por cables, las patillas de conexión se encuentran a lo largo del bordedel chip. En la tecnología «flip-chip», las bolas de soldadura se colocan en filas sobre la cara delchip, permitiendo así más de 100 patas de interconexión.

La conexión con cables implica mecanismos de unión en estado sólido. Por otro lado, latecnología de las bolas de soldadura conlleva la fusión de la aleación.

.- Diodos Luminosos.

La electroluminiscencia se refiere a comunicar la energía al sólido mediante electrones. Unmecanismo importante de electroluminiscencia consiste en aplicar una polarizacón directa a launión p-n. En la zona de recombinación próxima a la unión los electrones y huecos se aniquilan, emi-

tiendo fotones de luz visible.

La transición electrónica se produce en un estrecho intervalo de energía desde los valoresmás bajos de la banda de conducción hacia los valores más altos de la banda de valencia. Estosdistintos valores de Eg producen una anchura espectral de varios nm.

.- Polímeros como conductores eléctricos.

Una característica de los polímeros electrónicos es que la cadena macromolecular consiste

en enlaces sencillos y dobles alternados. El electrón extra del doble enlace puede moverse a lo largode la cadena polimérica con relativa facilidad. Se tienen niveles de conducción del orden de lossemiconductores, e incluso del comportamiento metálico.

Resumen Materiales-1

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