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Ciencia de los materialesGuía de estudio para examen de medio curso 2012Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos
Introducción a los materiales
Objetivo: Permitir darse cuenta de los tipos de materiales disponibles, entender su comportamiento general y sus capacidades, y reconocer los efectos del ambiente y de las condiciones de operación sobre el rendimiento de los materiales.
Objetivos específicos de aprendizaje:1.- Introducción2.- La clasificación de los materiales3.- La aplicación y ejemplos de cada material4.- La relación entre estructuras propiedades y procesamiento5.- Los efectos ambientales en el comportamiento de los materiales
Introducción
El hombre, los materiales y la ingeniería han evolucionado en el transcurso del tiempo y continúan haciéndolo hasta el día de hoy.
En la Edad de Piedra[], los seres humanos crearon herramientas de piedra debido a la carencia de una tecnología más avanzada. La madera, los huesos y otros materiales también fueron utilizados (cuernos, cestos, cuerdas, cuero, fibras vegetales), pero la piedra (y, en particular, diversas rocas de rotura concoidea, como el sílex, el cuarzo, la cuarcita, la obsidiana) fue utilizada para fabricar herramientas y armas, de corte o percusión.
A este período le siguió la Edad del Cobre (el cobre, junto con el oro y la plata, es de los primeros metales utilizados en la Prehistoria, tal vez porque, a veces, aparece en forma de pepitas de metal nativo; el objeto de cobre más antiguo conocido hasta el momento es un colgante oval procedente de Shanidar (Irán), que ha sido datado en el año 9500 a. C.) y, sobre todo, la Edad de Bronce (período de la civilización en el que se desarrolló la metalurgia de este metal, resultado de la aleación de cobre con estaño en una proporción variable. La cantidad de estaño podía variar desde un 3% en los llamados «bronces blandos», hasta un 25% en los llamados «bronces campaniles» a mayor cantidad de estaño, más tenacidad, pero también menos maleabilidad: en la Prehistoria la cantidad media suele rondar el 10% de estaño. Se supone que fueron los egipcios los primeros en añadir estaño al cobre, al observar que éste le daba mejores cualidades, como la dureza, un punto más bajo de fusión y la perdurabilidad, ya que el estaño no se oxida fácilmente con el aire y es resistente a la corrosión; además el bronce es reciclable, pudiéndose fundir varias veces para obtener nuevos objetos de otros ya desechados
La Edad del Hierro es el último periodo principal en el sistema de las tres edades, usado para clasificar sociedades prehistóricas, y es precedido por la Edad del Bronce. La Edad de Hierro corresponde aproximadamente con el momento en que la producción
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de hierro era la forma más sofisticada de metalurgía. La dureza del hierro, su alta temperatura de fusión y la abundancia de fuentes de mineral de hierro lo convirtieron en un material mucho más deseable y barato de obtener que el bronce, lo que contribuyó de forma decisiva a su adopción como el metal más usado.
El Hierro es uno de los elementos que más abunda en la Tierra. Después del aluminio, es el metal más abundante, sin embargo, su utilización práctica comenzó 7000 años más tarde que el cobre y 2500 años después del bronce. Este retraso no se debe al desconocimiento de este metal, puesto que los antiguos conocían el hierro y lo consideraban más valioso que cualquier otra joya, pero se trataba de hierro meteórico, es decir, procedente de meteoritos.
Por todo esto; sin duda alguna la producción y el procesado de los materiales para convertirlos en productos acabados constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los productores requieren materiales, los ingenieros deberán tener conocimiento sobre la estructura interna y propiedades de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el material más adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de proceso.
Los ingenieros especializados en investigación y desarrollo trabajan para crear nuevos materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes. Los ingenieros de diseño usan los materiales existentes, los modificados o los nuevos para diseñar o crear nuevos productos y sistemas.
Por lo tanto, los ingenieros sea cual fuera su especialidad, debe tener conocimientos básicos y aplicados sobre los materiales de ingeniería a efecto de poder realizar su trabajo de forma más eficaz cuando vayan a utilizarlos.
Ciencia e Ingeniería de materiales:
La ciencia de los materiales se dedica principalmente a la búsqueda de conocimientos básicos sobre la estructura interna, propiedades y procesado de los materiales.
La ingeniería de materiales está relacionada con el uso de los conocimientos fundamentales y aplicados sobre los materiales, de modo que los materiales son convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad.
La ciencia de los materiales tiene como fin básico el conocimiento del conjunto de materiales existentes y la ingeniería de materiales tiene como objetivo el conjunto de conocimientos aplicados.
Clasificación de los materiales
La mayoría de los materiales usados en ingeniería están divididos en 5 grupos principales: metales, cerámicos, polímeros, compuestos y semiconductores.
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Metales: Son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos, pudiendo contener algunos elementos no metálicos. Algunos ejemplos de elementos metálicos son hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio. Elementos no metálicos como carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden estar contenidos en los materiales metálicos. Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada. Los metales tienen como característica general: buenos conductores eléctricos y térmicos, relativamente alta resistencia mecánica incluso a temperaturas elevadas, alta rigidez, ductilidad o conformabilidad y resistencia al impacto.
Los metales y aleaciones se dividen normalmente en dos clases: metales y aleaciones férricas, que contienen un alto porcentaje de hierro, (como el acero o la fundiciones de hierro) y metales y aleaciones no férricas, que carecen de hierro o sólo contienen cantidades relativamente pequeñas. Ejemplo de metales no férricos son aluminio, cobre, cinc, titanio y níquel.
Una aleación es una combinación de metales, usados para mejorar ciertas propiedades deseadas o permitir una mejor combinación de propiedades. El ejemplo más claro de una aleación es el acero, combinación principalmente de hierro y carbono.
Los metales son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga.
Polímeros: La mayoría de los materiales poliméricos están formados por largas cadenas o redes de moléculas orgánicas. Estructuralmente, la mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas.
Estos se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas, en un proceso conocido como polimerización. Los polímeros tienen baja conductividad eléctrica y térmica (propiedades aislantes), escasa resistencia mecánica y no se recomiendan para aplicaciones en temperatura elevada, ya que tienen bajas temperaturas de reblandecimiento o descomposición, tienen baja densidad y excelente resistencia a la corrosión.
Los polímeros pueden ser clasificados por su comportamiento cuando son calentados en: termoplásticos, termoestables y elastómeros.
Los polímeros termoplásticos, se comportan de manera plástica a elevadas temperaturas, la naturaleza de su enlace no se modifica radicalmente cuando la temperatura se eleva. En los polímeros termoplásticos las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductilidad y conformabilidad.
Algunos ejemplos de polímeros termoplásticos son: polietileno (bolsas de todo tipo: supermercados, boutiques, panificación, congelados, industriales, etc.; envasamiento automático de alimentos y productos industriales: leche, agua, plásticos, etc.; macetas; bolsas para suero; envases para: detergentes, lejía, aceites automotor, shampoo, lácteos, etc) cloruro de polivinilo, poliestireno (carcasas de televisores, impresoras, puertas e interiores de frigoríficos, maquinillas de afeitar desechables, juguetes.), teflón, poliéster, etc.
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Los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Estos no pueden ser reprocesados una vez que ya han sido conformados. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrónicos.
Elastómeros: comportamiento intermedio entre los termoestables y termoplásticos, tienen la capacidad de deformarse elásticamente en alto grado sin cambiar permanentemente su forma.
En general los polímeros se emplean en innumerables aplicaciones que incluyen juguetes, artículos para el hogar, artículos estructurales y decorativos, recubrimientos, pinturas, adhesivos, neumáticos, empaque y muchas otras cosas.
Cerámicos: Son materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados químicamente. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezclas de ambos. La mayoría de los materiales cerámicos tiene elevada dureza y alta resistencia a elevada temperatura pero tienden a ser frágiles. Las ventajas de los materiales cerámicos para su uso técnico se resumen en bajo peso, alta resistencia y dureza, alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes.
Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos materiales cerámicos los hacen útiles en revestimientos de hornos para tratamientos térmicos y fusión de metales como el acero.
Otras aplicaciones son: productos de alfarería, fabricación de ladrillos, azulejos, loza, materiales refractarios, imanes, artículos para la industria eléctrica y abrasivos.
Materiales compuestos: Los materiales compuestos están constituidos por 2 o más materiales, que generan propiedades no obtenibles mediante uno solo. La mayoría de ellos constan de un determinado material de refuerzo y una resina aglomerante compatible con el objeto de obtener las características específicas y propiedades deseadas. Normalmente, los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser identificados físicamente gracias a la interfase entre los mismos. Los materiales compuestos pueden ser de muchos tipos. Los que predominan son los fibrosos (o compuestos de fibras en una matriz) y los particulados (compuestos de partículas en una matriz).
Dos clases de materiales compuestos modernos son la fibra de vidrio que refuerza una matriz de poliéster o resina epoxi y las fibras de carbono en una matriz epoxídica. Otros ejemplos: el concreto, la madera contrachapada (triplay).
Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles. Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica. Cd II B 2 e- ; Al, Ga, B, In III A 3e-; Si, Ge IV A 4 e-; P, As, Sb V A 5 e- ; Se, Te, (S) VI A 6 e-.
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Clasificación de algunos materiales
Metales Cerámicos Polímeros Compuestos Semiconductores
Hierro Vidrio Polietileno Madera Cadmio
Aluminio Porcelanas Epóxicos Triplay Silicio
Acero Magnesia (MgO)
Fenólicos Hueso Germanio
Cobre Alúmina (Al2O3)
Poliestireno Fibra de vidrio Boro
Plata Circonia (ZrO2)
Polivinilo Fibra de carbón
Indio
Zinc Refractarios Nylon ConcretoSelenio
Bronce Cemento Lana Fibra Óptica Telurio
Hierro fundido gris
Grafito Hule Acero recubierto de
titanioArsénico
Latón Arcilla Poliuretano
Carburo de tungsteno con
cobaltoAntimonio
Relación entre estructura, propiedades y procesamiento
Propiedades: La propiedades de un material son de tres tipos: mecánicas, físicas y químicas.
Las propiedades mecánicas determinan como responde el material al aplicársele una fuerza o esfuerzo. El esfuerzo se define como la fuerza dividida entre el área transversal sobre la cual actúa. Las propiedades mecánicas más comunes son la resistencia mecánica, la ductilidad y la rigidez del material; aunque a menudo interesa saber como se comporta el material cuando es expuesto a choques repentinos e intensos (impacto), a esfuerzos repetidos cíclicamente en un periodo dado (fatiga), a temperaturas elevadas (termofluencia) o cuando se somete a acciones abrasivas (desgaste).
Las propiedades mecánicas no solo determinan el comportamiento del material en operación, si no que influyen en la facilidad con que pueda ser conformado en un producto de servicio.
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Propiedades más comunes:
Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se le aplican.
Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación.
Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.
Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque.
Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.
Ductilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.
Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas.
Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos:
Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material.
Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.
Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.
Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.
Las propiedades físicas: dependen de la estructura y procesamiento del material. Describen características como color, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerza que actúan sobre el material. Pueden dividirse en: eléctricas, magnéticas, ópticas, térmico y elástico.
Las propiedades químicas: comprenden entre otras las fuerzas de enlace (debido a la composición) y su comportamiento ante medios agresivos (corrosión).
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Estructura: la estructura de un material puede considerarse en varios niveles. En los niveles más fundamentales está la estructura de los átomos que comprenden el material. La distribución de electrones alrededor del núcleo atómico afecta de manera significativa los componentes eléctricos, magnéticos, térmicos, ópticos y aún la resistencia a la corrosión. Además, el arreglo electrónico influye en como se unen los átomos entre sí, lo cual determina que el material sea un metal, cerámico o polímero.
El siguiente nivel se considera la organización de los átomos en el espacio. Los metales muchos cerámicos y algunos polímeros tienen una organización atómica muy regular denominada estructura cristalina. Tal configuración influye en las propiedades mecánicas de los metales, como la ductilidad, resistencia mecánica y resistencia al impacto.
Tipos de enlace atómico y enlace moleculares:
El enlace químico entre átomos tiene lugar debido a la disminución neta de la energía potencial de los átomos en estado enlazado, significa que estando enlazados encuentran condiciones energéticas más estables que cuando están libres.
Los enlaces químicos entre átomos pueden dividirse en dos grupos: enlaces fuertes o primarios y enlaces débiles o secundarios.
Enlaces atómicos primarios:
Los enlaces atómicos primarios, en los cuales intervienen grandes fuerzas interatómicas pueden dividirse en las 3 siguientes clases:
1.- Enlace iónico: en este tipo de enlace se ponen en juego fuerzas interatómicas grandes debido a la transferencia de un electrón de un átomo a otro produciendo iones que se mantienen unidos formando un sólido cristalino mediante fuerzas electroestáticas (atracciones de iones cargados positiva y negativamente), no direccionales.
Cuando en un material se encuentra presente más de un tipo de átomo uno de ellos puede donar sus electrones de valencia a un átomo diferente, ocupando el nivel energético externo del segundo átomo. Ambos tienen ahora su nivel energético externo lleno (o vacío) y han adquirido cargas eléctricas comportándose como iones. El átomo que aporta los electrones queda con carga neta positiva y es un catión, mientras que el átomo que acepta los electrones adquiere carga neta negativa y es un anión. Los iones cargados opuestamente se atraen entre si produciendo la unión iónica. Por ejemplo, la unión entre los iones de sodio y cloro produciendo cloruro de sodio NaCl o sal común.
Cuando se aplica una fuerza a un cristal de cloruro de sodio, se rompe el equilibrio eléctrico entre los iones. En parte por esta causa los materiales unidos iónicamente se comportan como frágiles. Su conductividad eléctrica es baja ya que la carga eléctrica puede ser transferida por el movimiento de los iones enteros, lo que no se desplazan tan fácilmente como los electrones. Muchos materiales cerámicos y minerales están, al menos en parte unidos iónicamente.
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2.- Enlace covalente: corresponde a fuerzas interatómicas relativamente grandes creados por la compartición de electrones para formar un enlace con una dirección localizada.
Las uniones covalentes son muy fuertes, los materiales unidos de este modo tienen poca ductilidad y escasa conductividad eléctrica. Cuando se dobla una barra de silicio, los enlaces deben romperse porque los átomos de este elemento van a cambiar constantemente la relación entre ellos. Igualmente, para que un electrón se mueva y forme una corriente eléctrica, el enlace covalente debe romperse para liberar al electrón, necesitándose altas temperaturas o voltajes muy altos.
Muchos materiales cerámicos y poliméricos están completamente o parcialmente unidos por enlaces covalentes lo que explica porque el vidrio se rompe cuando es golpeado y porque los ladrillos son buenos aislantes del calor y la electricidad.
3.- Enlace metálico: Involucran fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas mediante la compartición de electrones deslocalizados para formar enlace fuerte no direccionales entre los átomos.
Los elementos metálicos que tienen valencia baja, ceden sus electrones para formar un mar de electrones que rodea al átomo. El aluminio, por ejemplo libera sus tres electrones de valencia dejando un cuerpo central o nódulo que consiste en el núcleo y electrones internos. Puesto que faltan 3 electrones negativos a dicha parte ésta se convierte en un ion con carga positiva igual a 3. Los electrones de valencia que ya no están asociados a ningún átomo en particular, se mueven libremente en el mar de electrones y se ligan a diversos nódulos de átomos. Tales partes centrales cargadas positivamente, se mantienen unidas entre si por atracción mutua hacia el electrón produciendo de esta manera la fuerte unión metálica.
Los enlaces metálicos son no direccionales, los electrones que mantienen ligados a los átomos no están fijos en su posición. Cuando se dobla un metal y los átomos intentan
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cambiar su relación entre ellos la dirección del enlace simplemente se desliza en lugar de romperse. Esto permite que los metales sean conformados en configuraciones útiles. La unión metálica permite que los metales sean buenos conductores eléctricos.
Enlaces atómicos secundarios:
Los enlaces secundarios se subdividen en: (1) dipolos instantáneos y (2) dipolos permanentes.
Los enlaces secundarios se forman por la atracción electroestática de los dipolos eléctricos dentro de los átomos o moléculas.
En los dipolos instantáneos: los átomos se mantienen juntos debido a su distribución de carga asimétrica dentro de los mismos. Estas fuerzas son importantes para la licuefacción y solidificación de gases nobles.
Los enlaces permanentes son importantes en el enlace de moléculas polares unidas covalentemente tales como el agua y los hidrocarburos.
Enlaces de Van der Waals:
Las uniones o enlaces de Van der Waals ligan moléculas o grupos de átomos mediante atracciones electroestáticas débiles. Muchos plásticos, cerámicas, el agua y otras moléculas están permanentemente o instantáneamente polarizados; esto es, algunas porciones de las moléculas tienden a estar con carga positiva, mientras otras porciones están cargadas negativamente. La atracción electrostática entre las regiones positivas de una molécula y las regiones negativas de una segunda molécula unen débilmente a las dos.
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Cuando se aplica voltaje a un metal, los electrones del mar de electrones se pueden mover fácilmente y conducir la corriente.
El enlace Van der Waals es un enlace débil entre átomos o moléculas polarizadas instantáneamente. Es una unión secundaria, pero los átomos dentro de la molécula, o grupo de átomos, están unidos por fuertes enlaces covalentes o iónicos. Los cristales formados por gases nobles, tienen enlaces de Van der Waals. Calentar agua al punto de ebullición rompe los enlaces citados y convierte el agua en vapor, pero se requieren temperaturas mucho mas elevadas para romper las uniones covalentes que ligan a los átomos de oxigeno o hidrogeno.
Procesamiento:
El procesamiento de los materiales genera la forma deseada de un componente a partir de un material no uniforme. Los metales pueden ser procesados vertiendo un metal líquido a un molde (colado), uniendo piezas individuales de metal (soldadura autógena, pegadura), conformadas de piezas metálicas mediante altas presiones (forjado, trefilado, extrusión, laminado, doblado), compactando pequeñas partículas en una masa sólida (metalurgia de polvos) o eliminando material excedente (maquinado).
Igualmente los cerámicos pueden procesarse mediante colado, conformado, extrusión o compactación cuando están húmedos se trata térmicamente a temperaturas elevadas para desecar y aglutinar componentes. Los polímeros se producen mediante moldeo por inyección de plástico reblandeciendo (similar al colado) así mismo son extraídos y conformados.
Interacción estructura-propiedades –procesamiento
Carga: El tipo de carga o fuerza que actúa en el material puede cambiar radicalmente su comportamiento. Por lo general, el esfuerzo de fluencia por arriba del cual el material experimenta cambio permanente en sus dimensiones es la propiedad más crítica y suele ser considerada las más importante en el diseño de un componente. De cualquier manera un material puede fallar aún así tenga alto esfuerzo de fluencia con cargas menores si la carga es cíclica (fatiga) o se aplica súbitamente (impacto).
Temperatura: Los cambios de temperatura afectan mucho a las propiedades de los materiales. La resistencia de muchos materiales disminuye conforme la temperatura aumenta. Pueden ocurrir cambios súbitos desastrosos cuando se calienta por encima de la temperatura crítica. Las temperaturas altas en cerámicos pueden modificar su estructura y en polímeros provocar que se derritan o carbonicen.
Atmosfera: La mayoría de los polímeros y de los metales reaccionan con el oxígeno y otros gases particularmente a temperaturas elevadas. Algunos metales y cerámicos pueden desintegrarse muy suavemente o ser atacados químicamente. Los polímeros suelen endurecerse o despolimerizarse, tostarse o quemarse.
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Corrosión: Los metales son atacados por diversos líquidos corrosivos siendo degradados uniformemente o selectivamente pudiendo desarrollar también grietas o picaduras que conducen a una falla prematura. Las sustancias cerámicas son atacadas por cerámicos en estado líquido.Estructuras cristalinas:
Existen tres niveles de organización de los átomos:
Desordenación: en gases como el argón y en la mayoría de los líquidos, los átomos y moléculas carecen de un arreglo ordenado; los átomos del argón se distribuyen aleatoriamente en el espacio donde se confina el gas.
Ordenamiento particular (de corto alcance): es cuando el arreglo característico de los átomos se restringe solamente a átomos circunvecinos. Cada molécula de vapor de agua tienen un ordenamiento limitado debido a los enlaces covalentes entre los átomos de hidrogeno y de oxigeno; esto es cada átomo de oxigeno se une a dos moléculas de hidrogeno, con un ángulo de aproximadamente 104.5 grados entre los enlaces. Sin embargo las moléculas de agua no presentan un arreglo especifico en el vapor, sino que de manera aleatoria ocupan el espacio disponible.Una situación similar ocurre en los cristales cerámicos. En la estructura tetraédrica de sílice, que satisface la condición de que cuatro átomos de oxigeno se enlazan covalentemente con cada átomo de silicio. Como los átomos de oxigeno deben formara ángulos de aproximadamente 109 grados para cumplir con los requisitos direccionales de los enlaces covalentes, se origina un ordenamiento particular. No obstante, las unidades tetraédricas pueden unirse de manera aleatoria. La mayoría de los polímeros presentan ordenamiento de corto alcance similar.
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Ordenamiento general (de largo alcance): en los metales, en muchos materiales cerámicos y aun en ciertos polímeros, los átomos muestran un ordenamiento general o de largo alcance; esto es, el arreglo atómico específico se distribuye por todo el material. Los átomos forman un patrón reticular repetitivo. La red o retícula (llamada también latice) es un conjunto de puntos denominados puntos reticulares (o nodos), los cuales siguen un patrón regular, de manera que la inmediaciones de cada punto de la red son idénticas. Uno o mas átomos se asocian con cada punto en la red. Consecuentemente, cada átomo tiene un ordenamiento particular o de corto alcance, puesto que las inmediaciones de cada punto son idénticas, así como un ordenamiento general o de largo alcance, puesto que la red se distribuye uniformemente en todo el material. La configuración reticular difiere de un material a otra en forma y en dimensión, dependiendo del tamaño de los átomos y del tipo de enlace interatómico. La estructura cristalina se refiere al tamaño, forma y ordenamiento atómico dentro de la red.
La mayor parte de los sólidos de la naturaleza son cristalinos lo que significa que los átomos, moléculas o iones que los forman se disponen ordenados geométricamente en el espacio. Esta estructura ordenada no se aprecia en muchos casos a simple vista porque están formados por un conjunto de microcristales orientados de diferentes maneras formando una estructura policristalina, aparentemente amorfa.Este "orden" se opone al desorden que se manifiesta en los gases o líquidos. Cuando un mineral no presenta estructura cristalina se denomina amorfo. La cristalografía es la ciencia que estudia las formas y propiedades fisicoquímicas de la materia en estado cristalino.
Las redes cristalinas se caracterizan fundamentalmente por un orden o periodicidad. La estructura interna de los cristales viene representada por la llamada celdilla unidad que se repite una y otra vez en las tres direcciones del espacio. El tamaño de esta celdilla viene determinado por la longitud de sus tres aristas (a, b, c), y la forma por el valor de los ángulos entre dichas aristas (α,β,γ).
Celda unitaria: es la menor subdivisión de una red que retiene las características generales de toda la retícula. Una celda unitaria se indica en la figura mediante líneas gruesas. Reuniendo celdas unitarias idénticas se construye toda la red.
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Se consideran 14 tipos de celdas unitarias, o redes de Bravais agrupadas en siete estructuras cristalinas. Los puntos reticulares están en las esquinas de las celdas unitarias, y en algunos casos, en el centro de cada una de las caras o de toda la celda.
Parámetros de red: los parámetros reticulares, que describen el tamaño y la forma de la celda unitaria, son las dimensiones de la celda unitaria y los ángulos que forman. En un sistema cristalino cubico, solo la longitud de un lado del cubo es necesario para describir completamente la celda (se supone ángulos de 90 grados).
Se requieren varios parámetros de red para definir el tamaño y la forma de las celdas unitarias complejas. Para una celda unitaria ortorrómbica, se deben de especificar la medida de los tres lados de la celda, a0, b0 y c0. La celda unitaria hexagonal requiere dos dimensiones a0 y c0, así como el ángulo de 120 grados entre los ejes a0 y 90 grados entre a0 y c0. La más compleja de las celdas unitarias, la triclínica, se define mediante tres ángulos y 3 lados diferentes.
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Dureza: la dureza no es una propiedad fundamental de un material si no que esta relacionada con las propiedades elásticas y plásticas. Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucciones presencia de esfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo mas duro, el cual no sufre deformación residual (penetrador) de determinada forma y dimensiones.
Las pruebas de dureza pueden dividirse en 3 categorías:
DUREZA ELASTICA: se mide mediante un escleroscopio el cual mide la altura de rebote, alguna energía se absorbe al formar la impresión y el resto regresa al martillo al rebotar este, cuanto mayor sea el rebote, mayor será el número y la pieza será mas dura. Esta prueba realmente es una medida de la resistencia del material, o sea, la energía que puede absorber en el intervalo elástico.
RESISTENCIA AL CORTE O ABRASION: prueba de rayadura la ideo Friederich Mohs. La escala consta de 10 minerales estándar arreglados siguiendo un orden de incremento de dureza. El talco es el 1, el yeso en 2, etc. Hasta el 9 para el corindón y 10 para el diamante.
RESISTENCIA A LA INDENTACION: estos ensayos miden la profundidad o tamaño de la huella resultante, lo cual se relaciona con un numero de dureza, cuanto mas blando sea el material, mayor y mas profunda es la huella y menor el numero de dureza. La dureza a la indentacion pueden clasificarse en 3 tipos principales: dureza Brinell, dureza Vickers y dureza Rockwell.
BRINELL: El probador de dureza brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operación manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la
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muestra. El procedimiento estándar requiere que la prueba se haga con una bola de 10 mm de diámetro bajo una carga de 3 000 kg para metales ferrosos a 500 kg para metales no ferrosos. Para metales ferrosos la bola bajo presión es presionada dentro de la muestra a prueba por lo menos durante 10 seg.; para los metales no ferrosos el tiempo es de 30 segundos. El diámetro de la impresión producida se mide mediante un microscopio de escala ocular. El numero de dureza brinell (HB) es la razón de la carga en kilogramos al área en milímetros cuadrados de la impresión y se calcula:
P= carga de prueba, kgD=diámetro de la bola, mmd=diámetro de la impresión, mm
El número de dureza de brinell seguido por el símbolo HB sin números sufijos indica condiciones de prueba estándar usando una bola de 10 mm de diámetro y una carga de 3 000 kg, aplicada de 10 a 15 seg.
Para otras condiciones, el numero de dureza y el símbolo AB se complementan por números que indican las condiciones de prueba en el siguiente orden: diámetro de la bola, carga y duración de la carga; por ejemplo 75 HB 10/500/30 – dureza brinell de 75 medida con una bola de 10 mm de diámetro y una carga de 500 kg aplicada por 30 segundos.
El número de dureza Brinell puede correlacionar y dar un valor aproximada a ciertos valores de propiedades como:
Resistencia a la tensión=500 BHN
Limite de la resistencia a la fatiga= (0.5) (resistencia a la tensión)
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RESISTENCIA A LA TENSIÓN
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Después de la prueba de dureza, la prueba de tensión es la realizada más frecuentemente para determinar ciertas propiedades mecánicas.
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El ensayo de tensión mide la resistencia de un material a la aplicación gradual de una fuerza tensora.
Cuando una pieza de metal se somete a una fuerza de tensión uniaxial se produce la deformación del metal. Si el metal recupera sus dimensiones originales cuando se elimina la fuerza se considera que el metal ha sufrido de una deformación elástica. Si el metal se deforma tanto que no puede recuperar completamente sus dimensiones originales, se considera que ha sufrido una deformación plástica.
Esfuerzo y deformación ingenieríl:
Los resultados de un ensayo simple pueden aplicarse a todos los tamaños y formas de las probetas para un material dado si se transforma la fuerza a esfuerzo y la distancia entre las marcas a la calibración de deformación. El esfuerzo y la deformación de uso en ingeniería se definen mediante las siguientes ecuaciones:
Esfuerzo: cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza externa que tiende a cambiar su forma o tamaño, el cuerpo se resiste a esa fuerza.
Esfuerzo= σ= F/Ao (es la resistencia interna del cuerpo).
A0= Área original de la sección transversal de la muestra antes de iniciar la prueba.
Deformación= ε= (l - l0)/ l0 (cambios o dimensiones en el cuerpo).l0= distancia original entre las marcas de calibración.l= distancia entre las marcas después de aplicar la fuerza (carga).
La curva de esfuerzo-deformación se utiliza normalmente para registrar los resultados de ensayo de tensión.
Las unidades de tensión convencional (σ) son:
Sistema anglosajón, libras-fuerza por pulgada cuadrada (lbf/in2 o psi)
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Sistema internacional, Newton por metro cuadrado (N/m2) o pascal (Pa), donde 1N/m2=Pa.
La deformación convencional (ε) es una magnitud adimensional.
El ensayo de tensión se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones.
Las propiedades mecánicas de metales y aleaciones que tienen interés para el diseño estructural en ingeniería y que pueden obtenerse a partir del ensayo de tensión técnico son:
1.- Modulo de elasticidad.2.- Limite elástico convencional del 0.2 por 100.3.- Resistencia a la tensión.4.- Porcentaje de alargamiento a fractura.5.- Porcentaje de estricción a fractura.
Modulo de elasticidad: en general, los metales y las aleaciones muestran una relación lineal entre la tensión aplicada y la deformación producida en la región elástica del diagrama convencional que se describe por la ley de Hooke:
σ=E ε E=σ/ε
Donde: E es el modulo de elasticidad o modulo Young. El modulo young está relacionado con la fuerza del enlace entre los átomos del metal o aleación.
Limite proporcional: Para muchos materiales estructurales se ha encontrado que la parte inicial de la gráfica esfuerzo-deformación puede ser aproximada a una recta. En este intervalo, el esfuerzo y la deformación son proporcionales entre si, de manera que cualquier incremento en esfuerzo resultará un aumento proporcional a la deformación. El esfuerzo en el límite del punto de proporcionalidad se conoce como limite de proporcionalidad.
Limite elástico: es un valor muy importante para el diseño estructural en ingeniería puesto que la tensión a la que un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa. Por lo tanto, el límite elástico se define como aquella tensión a la que se produce una deformación plástica definida. Es decir es el esfuerzo mínimo al que ocurre la primera deformación permanente, para la mayoría de los materiales estructurales, el límite elástico tiene casi el mismo valor numérico que el límite de proporcionalidad.
Deformación plástica: si las fuerzas aplicadas a la probeta son mayores, el material se comporta de una manera plástica. Cuando se incrementa el esfuerzo, las dislocaciones empiezan a producirse y ocurre el deslizamiento y el material empieza a deformarse plásticamente. A diferencia de la deformación elástica, la deformación ocasionada por el deslizamiento es permanente.
Dr. Edén Amaral Rodríguez C. Ciencia de los Materiales Página 18
Punto de cedencia o punto de fluencia: conforme la carga en la pieza a prueba aumenta más allá del límite elástico, se alcanza un esfuerzo al cual el material continua deformándose sin que halla incremento de la carga; este punto se conoce como punto de cedencia o fluencia. Este fenómeno ocurre solo en ciertos materiales dúctiles. El esfuerzo puede disminuir realmente por un momento resultando en un punto de cedencia superior y otro inferior. Como el punto de cedencia es relativamente fácil de determinar y la deformación permanente es pequeña hasta este punto de cedencia constituye un valor muy importante de considerar en el diseño de muchas partes para maquinaria cuya utilidad se afectará si ocurre una gran deformación permanente.
Resistencia a la tensión: La resistencia a la tensión es la máxima tensión alcanzada en la curva de tensión-deformación. La resistencia a la tensión puede aportar alguna información sobre la presencia de defectos. Si el material contiene porosidad o inclusiones, estos defectos pueden producir que el valor de la resistencia máxima sean menor que la habitual.
Resistencia a la ruptura: al esfuerzo máximo, la muestra experimenta una deformación localizada o formación de cuello conforme el área decrece. Esta elongación en forma de cuello es una deformación no uniforme y ocurre rápidamente hasta el punto que el material falla. La resistencia a la ruptura determinada al dividir la carga de ruptura entre el área transversal original es siempre menor que la resistencia límite. Para un material frágil la resistencia límite y la resistencia a la ruptura coinciden.
Porcentaje de alargamiento: la cantidad de alargamiento que una probeta a tensión soporta durante el ensayo proporciona un valor de la ductilidad del metal. La ductilidad de metales suele expresarse como porcentaje de alargamiento, usualmente determinado en probetas con 50 mm de longitud calibrada.
% alargamiento = (longitud final- longitud inicial)/ (longitud inicial) x 100%
% alargamiento= (l-l0)/l0 x 100%
Porcentaje de estricción: La ductilidad de un metal o aleación también se puede expresar en términos de porcentaje de reducción de área o estricción. La estricción es una medida de la ductilidad del metal y su índice de calidad.
% de estricción= (Área inicial- Área final)/ (Área inicial) x 100
% de estricción= (A0- Af)/ (A0) x 100
Energía libre de Gibbs: Termino termodinámico que define si un proceso es espontaneo, no espontaneo o está en equilibrio.
G= 0………………. (en equilibrio)G< 0………………..(proceso espontaneo o posible)G>0…………..…….(proceso no espontaneo)
Dr. Edén Amaral Rodríguez C. Ciencia de los Materiales Página 19
