Materia: Propiedad de los materiales

Tema: Unidad 2 Estructura de los materiales

Docente:

Ing. Industrial Daniel Parcero Martnez

Nombre del alumno:

Sergio Mendoza Jimnez

I semestre Grupo A

Carrera: Ing. Industrial

Marzo 2012, Balancn, Tabasco.

INTRODUCCION

Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. Desde el comienzo de la civilizacin , los materiales, junto con la energa, han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Como los productos estn fabricados a base de materiales, stos se encuentran en cualquier parte alrededor nuestro. Los ms comnmente encontrados son madera , hormign , ladrillo , acero , plstico , vidrio , caucho , aluminio , cobre y papel . Existen muchos ms tipos de materiales y slo se tiene que mirar alrededor para darse cuenta de ello . Debido al progreso de los programas de investigacin y desarrollo, se estn creando continuamente nuevos materiales.

La produccin de nuevos materiales y el procesado de stos hasta convertirlos en productos acabados , constituyen una parte importante de nuestra economa actual. Los ingenieros disean la mayora de los productos facturados y los procesos necesarios para su fabricacin. Puesto que la produccin necesita materiales , los ingenieros deben conocer la estructura interna y las propiedades de los materiales , de modo que sean capaces de seleccionar el ms adecuado para cada aplicacin y tambin capaces de desarrollar los mejores mtodos de procesado.

UNIDAD 2.- Estructura de los Materiales

2.1 Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades

Los materiales solidos se pueden clasificar segn la regularidad con que se sita, unos respecto a otros, los tomos o iones. En un material cristalino los atamos se sitan en una disposicin peridica o repetitiva a lo largo de muchas distancias atmicas; es decir existe un orden de largo alcance tal que, al solidificar el material, los tomos se sitan segn un patrn tridimensional repetitivo, en el cual cada tomo esta enlazado con su vecino ms prximo. Los metales, muchas cermicas y ciertos polmeros adquieren estructuras cristalinas en condiciones normales de solidificacin. El orden de largo alcance no existe en materiales que no se cristalizan.

Algunas propiedades de los slidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material; es decir de la ordenacin espacial de tomos, iones y molculas. Hay un nmero muy grande de estructuras cristalinas diferentes que tienen, todas ellas, orden atmico de largo alcance. Estas estructuras varan desde las ms simples de los metales a las excesivamente complejas de los materiales cermicos y polimricos.

El describir la estructura cristalina se consideran los tomos (o iones) como esferas solidas con dimetros muy bien definidos. Es el denominado modelo atmico de esferas rgidas, en el cual las esferas representan tomos macizos en contacto. El siguiente grafico muestra un ejemplo de la disposicin Celdilla unidadAl describirse la estructura cristalina conviene dividirla en las pequeas entidades, que se repiten, llamadas celdillas unidad. La celdilla unidad de la mayora de las estructuras cristalinas son paraleleppedos o prismas con tres conjuntos de caras paralelas, y dentro del agregado de esferas, se ha dibujado una celdilla, que en este caso es un cubo. Estructura de los metales Todos los materiales estn integrados por tomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. Cuando un material se encuentra en forma de gas, sus tomos estn ms dispersos o desordenados (a una mayor distancia uno de otro) en comparacin con los tomos de ese mismo material pero en estado lquido o slido. Existen materiales en los que sus tomos siempre estn en desorden o desalineados an en su estado slido, a estos materiales se les llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se considera como un lquido solidificado. En el caso de los metales, cuando estos estn en su estado slido, sus tomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas fcilmente por sus propiedades qumicas, fsicas o por medio de los rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrpico. Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata del mismo material, as por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas: la malla cbica de cuerpo centrado, la malla cbica de cara centrada y la malla hexagonal compacta. Cada una de estas estructuras atmicas tienen diferentes nmeros de tomos, como se puede ver en las siguientes figuras. Malla cbica de cuerpo centradoMalla cbica de cara centradaMalla hexagonal compacta

La malla cbica de cuerpo de cuerpo centrado. Es la estructura que tiene el hierro a temperatura ambiente, se conoce como hierro alfa. Tiene tomos en cada uno de los vrtices del cubo que integra a su estructura y un tomo en el centro. Tambin se encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno y el tungsteno.La malla cbica de cara centrada aparece en el hierro cuando su temperatura se eleva a aproximadamente a 910C, se conoce como hierro gamma. Tiene tomos en los vrtices y en cada una de sus caras, su cambio es notado adems de por los rayos X por la modificacin de sus propiedades elctricas, por la absorcin de calor y por las distancias intermoleculares. A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el oro, el nquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta estructura de malla.La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como el berilio, cadmio, magnesio, y titanio. Es una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, es frgil.Modificar a una malla de un metal permite la participacin de ms tomos en una sola molcula, estos tomos pueden ser de un material aleado como el carbn en el caso del hierro, lo que implica que se puede diluir ms carbn en un tomo de hierro. Si se tiene en cuenta que el carbn es el que, en ciertas proporciones, da la dureza al hierro, entonces lo que se hace al cambiar la estructura del hierro es permitir que se diluya ms carbn, con lo que se modifican sus propiedades. Otra de las caractersticas de los metales que influye notablemente en sus propiedades es el tamao de grano, el cual depende de la velocidad de enfriamiento en la solidificacin del metal, la extensin y la naturaleza del calentamiento que sufri el metal al ser calentado. Grano de las estructuras metlicasCuando un metal en su estado lquido se enfra sus cristales se van solidificando formando estructuras dendrticas, las que crecen uniformes hasta que se encuentran con otra estructura que tambin ha estado creciendo, en ese lugar de encuentro de las dos estructuras se forman los lmites de los granos de los materiales. Entre ms lento el enfriamiento de un material, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos, o sea estos sern de menor tamao. Un material con granos pequeos ser ms duro que un con granos grandes, debido a que los granos grandes tienden a fracturarse y deslizarse uno sobre el otro, lo que no sucede con los granos pequeos. La mejor forma de determinar el tamao de grano de un material es por medio de microscopio metalrgico, el que acta por medio de un rayo de luz que se lanza sobre una superficie pulida al espejo y limpiada con una mezcla de 3% de cido ntrico y 97% de alcohol, para eliminar lo que se conoce como metal untado. Microscopio para la medicin de grano en un metal

2.2 Materiales puros

Son aquellos que estn tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningn cambio o alteracin, los materiales ms puros son los que se encuentran en la tabla peridica.

Todos los materiales estn integrados por tomos que se organizan de maneras diferentes, dependiendo del material que se trate y en el estado en el que se encuentra, ya sea de manera alotrpica.

Los materiales se clasifican en metales, no metales y metaloides.

Los metales

Los metales, cuando estn en su estado slido, sus tomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser reconocidas fcilmente por sus propiedades qumicas, fsicas o por medio de los rayos X.

Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrpico.

Cada tipo de mallas en los metales da diferentes propiedades, no obstante se trata del mismo material, asi por ejemplo el caso del hierro aleado con el carbono, se puenden encontrar tres diferentes tipos de mallas: la malla cubica del cuerpo centrado y la malla hexagonal compacta.

Cubica centrada en el interior

Tiene tomos en cada uno de los vrtices del cubo que integra a su estructura y un tomo en el centro. Se encuentra con esta estructura, el cromo, el molibdeno y el wolframio.

Cubica centrada en las caras

Tiene tomos en los vrtices y en cada una de sus caras, su cambio es notado adems de por los rayos x por la modificacin de sus propiedades elctricas, por la absorcin de calor o por la distancias intermoleculares.

A temperaturas elevadas el aluminio, la plata, el cobre, el oro, el nquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta estructura de malla.

Hexagonal compacta

La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como berilio, cadmio, berilio, cadmio, magnesio y titanio. Es una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, es frgil.

2.3 Aleaciones ferrosas y no ferrosasLos metales al ser calentados pueden modificar su estado fsico pasando por varias etapas, las que van desde la alteracin de algunas de sus propiedades hasta en cambio de su estado slido al lquido. El qu tan rpido o con qu tanta energa se logra un cambio de estado en un metal depender de los materiales que lo integran. Se debe recordar que casi nunca se utilizan metales puros. A la combinacin qumica de dos o ms metales se le llama aleacin y las propiedades de las aleaciones dependen tambin de los metales que la integran. Algunas de las aleaciones ms utilizadas en los procesos de manufactura son: Latn rojo o amarillo (cobre zinc) Bronce (cobre, estao, zinc, plomo) Aluminio, cobre, magnesio, silicio y zinc Hierro, carbn, cobalto, tungsteno, vanadio, etc. Cobre, oro, plata Existen tablas y normas internacionales que especifican la nomenclatura y los componentes especficos de cada una de las diferentes aleaciones. Las aleaciones antes sealadas son slo algunas de las ms, existen cientos ms de ellas. Una de las herramientas que nos permiten conocer de manera sencilla y rpida algunas de las caractersticas de las aleaciones son los diagramas de las aleaciones. Uno de los diagramas de aleaciones ms conocido y utilizado del Hierro y el carbono. Tambin conocido como diagrama hierro, hierro, carbono (HHC). Con este diagrama se pueden obtener las temperaturas de cambio de sus estructuras cristalinas; tambin se pueden conocer las temperaturas a las que se da el cambio de fase de un hierro. En funcin a la cantidad de carbn que contiene el metal se puede estimar la temperatura a la que se derretir y a la que se volver pastoso.

En el eje horizontal del diagrama de Hierro, hierro, carbono se ubica el porcentaje de carbono que puede estar diluido en el hierro y en el eje vertical se sealan las temperaturas a las que van sucediendo los cambios sealados en el cuerpo de la grfica. Al conocer la cantidad de carbono que tiene un hierro se pueden estimar la temperatura a la que se debe elevar para que se den los diferentes cambios de estructura o de estado. Por ejemplo si se tiene un hierro con 0.4% de carbn, se deber elevar su temperatura hasta los 723C para que el hierro alfa y la perlita empiecen a convertirse en austenita y ferrita. Aproximadamente a los 800C ese mismo hierro cambiar su estructura a hierro gamma, en donde su componente principal es la austenita, a los 1480C empieza a fundirse y arriba de los 1520C se ha fundido todo. A los hierros que estn debajo de 0.8% de carbn se les llama hipoeutectoides y a aquellos que tienen ms de 0.8% de carbn se llaman hipereutectoides. El punto eutctico es aquel en el que se logra la mxima dilusin de carbn posible en un hierro a la menor temperatura. En caso de los hierros con carbn el punto eutctico se da con 0.8% de carbn y a 723C. Cada vez que se rebasa una zona en la grfica de HHC, se est cambiando de estructura en el hierro que se est tratando. Metales no FerrososPor lo regular tienen menor resistencia a la tensin y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosin es superior. Su costo es alto en comparacin a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas tcnicas de extraccin y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los ltimos aos. Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son: 1. Aluminio 1. Cobre 1. Magnesio 1. Nquel 1. Plomo 1. Titanio 1. Zinc Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, tambin son muy tiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades fsicas y de ingeniera cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estao) y el latn (cobre zinc).

2.4 Materiales orgnicos e inorgnicos

Materiales no Metlicos1. Materiales de origen orgnico 1. Materiales de origen inorgnico Materiales orgnicosSon as considerados cuando contienen clulas de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en lquidos orgnicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son: 1. Plsticos 1. Productos del petrleo 1. Madera 1. Papel 1. Hule 1. Piel Materiales de origen inorgnicoSon todos aquellos que no proceden de clulas animales o vegetal o relacionados con el carbn. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgnicas. Algunos de los materiales inorgnicos ms utilizados en la manufactura son: 1. Los minerales 1. El cemento 1. La cermica 1. El vidrio 1. El grafito (carbn mineral) Los materiales sean metlicos o no metlicos, orgnicos o inorgnicos casi nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las caractersticas requeridas en tareas especficas. Estos procesos han requerido del desarrollo de tcnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con requerimientos prcticos. Tambin estos procesos aumentan notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original del material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirn directamente en el costo de los materiales y los artculos que integraran.Los procesos de manufactura implicados en la conversin de los materiales originales en materiales tiles para el hombre requieren de estudios especiales para lograr su mejor aplicacin, desarrollo y disminucin de costo. En la ingeniera la transformacin de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello depender el xito o fracaso del uso de un material.

2.5 Materiales Cermicos

Materiales caracterizados, en su mayora, por estar formados por uniones inorgnicas de un metal con un no metal, generalmente de los grupos IIIA-VIIA donde la parte dominante son los xidos.

Los materiales no metlicos son aisladores ya que ellos no tienen gran nmero de e- libres. De aqu que los fonones son los principales responsables para la conductividad trmica: que es mucho ms pequeo que Kl. Los fonones no son tan efectivos como los e- libres en el transporte de la energa de calor, ya que los fonones se difunden por imperfecciones cristalinas.

El vidrio y otros cermicos amorfos tienen ms bajas conductividades que los cermicos cristalinos, dado que la difusin de fonones es mucho mas efectiva cuando la estructura atmica es altamente desordenada e irregular. La difusin de las vibraciones de la red se vuelve mas pronunciadamente el aumento de la Temperatura, de aqu que la conductividad trmica de la mayorade los cermicos disminuye cuando aumenta la Temperatura, al menos a Temperaturas relativamente bajas.

Figura 3. Dependencia de la conductividad trmica con la temperatura paravarios materiales cermicos.

La conductividad comienza a incrementar a mas altas temperaturas lo cual se explica por la transferencia del calor radiante (infrarrojos).La porosidad en los materiales cermicos puede tener una influencia dramtica sobre la conductividad trmica. Un incremento en el volumen de poro resultar en una reduccin de la conductividad trmica .

Conclusin

En esta unidad aprendimos que es muy importante el saber cules son las caractersticas y propiedades de los materiales ya que en una industria lo que se hace es procesar materias primas para convertirlos en un bien o en un servicio y pues estas cualidades de los materiales nos permite conocer en qu forma podemos aprovechar de mejor manera un material y procesarlo.

Una de las cosas con las que puedo concluir es que el tipo de estructura del material con que se trabaje determina las caractersticas que tendr el material asi sea la misma sustancia o material que se trate

Yo aprend que todos los tipos de materiales que se encuentran contenidos en la naturaleza estn representados en la tabla peridica y solo difieren en que algunos materiales son formados por aleaciones de un tipo de material con otro y otras tal vez tengan el mismo material y solo depende del reacomodo de sus tomos