CIENCIA DE LOS MATERIALES

EXAMEN FINALALUMNO: MARCOS GENARO PAEZ CAMPOS

TEMA 1: Estructura y Propiedades características de los materiales metálicos, cerámicos y plásticos.

Estudio de las propiedades de los materiales

Las propiedades de los materiales dependen principalmente de su estructura atómica, su estructura cristalina y su microestructura. Las propiedades del material son conceptos que permiten cuantificar el comportamiento o la reacción del material ante estímulos externos.• Propiedades físicas: Ejemplos de propiedades físicas son el color

(cómo se comporta el material ante la luz visible), el peso (cómo se comporta el material ante la gravedad), la resistencia eléctrica (cómo se comporta el material ante una corriente eléctrica), etc.

• Propiedades químicas: Describen cómo se comporta el material ante el contacto con sustancias químicas. Para nuestro estudio, las propiedades químicas más relevantes tienen que ver con la corrosión y degradación de los materiales.

• Propiedades mecánicas: Describen cómo se comporta el material cuando se le aplican fuerzas externas.

Estructura y Clasificación de los Materiales

• Los Materiales se clasifican en: • Metales• Cerámicos• PolímerosAdemás de los tipos indicados suelen considerarse otros dos:• Compuestos • Semiconductores

• El comportamiento de los materiales en cada uno de estos grupos queda definido por su estructura.

• La estructura de un material puede ser estudiada en 4 niveles, estructura atómica, arreglo de átomos, microestructura y macroestructura. Para comprender y controlar la microestructura y la macroestructura de los diversos materiales, debemos entender las estructuras atómicas y cristalinas.

Caracterización estructural de los Materiales

Los materiales se pueden clasificar según su estructura a escala atómica en:

• Cristalinos• No cristalinos (o amorfos)

• Estructura Cristalina: los átomos que la constituyen están dispuestos según una distribución regular y repetitiva. Ejemplos: Metales, aleaciones, algunos materiales cerámicos.

• Estructura no Cristalina o amorfa: Los átomos están dispuestos de forma irregular y aleatoria. Ejemplos: Vidrios, algunos polímeros.

La disposición espacial de átomos o moléculas dependerá del tipo de enlace químico que se presenta.

Enlaces químicos • Los enlaces químicos son fuerzas intramoleculares que mantienen unidos a los

átomos en las moléculas.• Los enlaces químicos se pueden dividir en primarios y secundarios dependiendo

de la energía de enlace y de la distancia medida entre los átomos o moléculas.• Los enlaces primarios son enlaces fuertes y se forman cuando los orbitales

externos se transfieren o comparten.• Los enlaces secundarios, mas débiles, se formar como resultado de una

atracción menos intensa entre las cargas positivas y negativas, pero sin que exista transferencia o compartición de electrones.

• ENLACES PRIMARIOS• IONICO• COVALENTE• METALICO

• ENLACES SECUNDARIOS O DE VAN DER WAALS• INTERACCION DIPOLO-DIPOLO• INTERACCION DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO • INTERACCION DIPOLO INSTÁNTANEO-DIPOLO INDUCIDO

Enlace Iónico• Es el resultado de una transferencia

de electrones de un átomo a otro, formándose iones + (catión) y iones – (anión), que se atraen eléctricamente.

• Se producen en átomos con gran diferencia de electronegatividades como un metal y un no metal.

• La fuerza de enlace es el resultado de la atracción culómbica y las fuerzas de repulsión debido al solapamiento de campos eléctricos de igual signo.

• Los enlaces iónicos son no direccionales, y tienden a formar redes cristalinas muy fuertes y estables.

Enlace IónicoLos compuestos formados por enlaces iónicos tienen las siguientes características generales:• Son solidos a temperatura ambiente• Presentan estructura cristalina• Altos puntos de fusión y ebullición• Malos conductores en estado solido• Solubles en solventes polares como el agua• Conducen corriente eléctrica cuando son disueltos en agua o

fundidos.EJ: NaCl

Enlace Covalente

• El enlace covalente se produce cuando dos o mas átomos se unen compartiendo electrones en su ultimo nivel.

• Se producen cuando la diferencia de electronegatividades no es lo suficientemente grande como para producir una unión iónica.

• Son altamente direccionales.• Los enlaces covalentes se producen entre átomos de un mismo no

metal y entre distintos no metales.• Dependiendo de la diferencia de electronegatividad, el enlace

covalente puede ser clasificado en covalente polar y covalente puro o apolar.

• Las polaridades permiten que las moléculas del mismo compuesto se atraigan entre si por fuerzas electrostáticas relativamente débiles. Estos enlaces secundarios débiles son la causa de las bajas resistencias y bajas temperaturas de fusión de los polímeros por ejemplo.

Enlace CovalenteLas características de los compuestos covalentes dependen si el enlace es molecular o forma redes cristalinas:Sustancias covalentes moleculares:• Temperaturas de fusión y ebullición bajas.• En condiciones normales de presión y temperatura pueden

ser sólidos, líquidos o gaseosos• Son blandos en estado sólido.• Son aislantes de corriente eléctrica y calor.• Solubilidad: las moléculas polares son solubles en

disolventes polares y las apolares son solubles en disolventes apolares (semejante disuelve a semejante).

Sustancias de red covalente:• Elevadas temperaturas de fusión y ebullición.• Son sólidos.• Son sustancias muy duras.• Son aislantes (excepto el gafito).• Son insolubles.

Enlace Metálico

• El enlace metálico es característico de los elementos metálicos. Es un enlace fuerte, primario, que se forma entre elementos de la misma especie y en estado sólido.

• Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas.

• Al estar los átomos tan cercanos unos de otros, interaccionan sus núcleos junto con sus nubes electrónicas, empaquetándose en las tres dimensiones, por lo que quedan los núcleos rodeados de tales nubes.

• Estos electrones libres son los responsables de que los metales presenten una elevada conductividad eléctrica y térmica, ya que estos se pueden mover con facilidad si se ponen en contacto con una fuente eléctrica.

• La vinculación metálica es la atracción electrostática entre los átomos del metal o cationes y los electrones deslocalizados. Esta es la razón por la cual se puede explicar un deslizamiento de capas, dando por resultado su característica maleabilidad y ductilidad.

Enlaces de Van Der Waals• El enlace Van Der Waals es una fuerza débil de atracción que puede

existir entre moléculas eléctricamente neutras (tanto polares como no polares).

• El mecanismo de enlazamiento secundario es algo semejante al iónico, esto es, por atracción de cargas opuestas. La diferencia clave es que no se transfieren electrones.

• La atracción depende de las distribuciones asimétricas de carga positiva y negativa dentro de cada unidad atómica o molecular que se enlaza. Esta asimetría de carga se llama dipolo.

• Existen dos tipos de enlaces secundarios en función de que la asimetría de carga sea transitoria o permanente.

• Las fuerzas de van der Waals incluyen:• Interacciones dipolo-dipolo (también llamadas fuerzas de Keesom).• Interacciones dipolo-dipolo inducido (también llamadas fuerzas de

Debye).• Interacciones dipolo instantáneo-dipolo inducido (fuerzas de London).

Estructuras Cristalinas• Cualquier red cristalina puede describirse como un modelo

formado a base de repetir varias unidades estructurales.• Una red es un arreglo periódico de puntos que definen un

espacio.• La celda unidad o celda patrón es una subdivisión de la red

cristalina que conserva las características generales de toda la red.

Puntos reticulares (o nodos)

Celda unitaria

Al apilar celdas unidad idénticas se genera toda la red.

Estructuras Cristalinas• La celda unidad se define geométricamente por 6 parámetros

(parámetros de red):• tres ejes cristalográficos (a, b y c)• tres ángulos interaxiales (α, β y ɣ).

• Variando los parámetros de red se obtienen los7 sistemas cristalinos

Estructuras Cristalinas

Estructuras Cristalinas

PROPIEDADES QUE DEPENDEN DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA O DE LA SUSTANCIA

• Densidad• Coeficiente de dilatación• Punto de fusión• Módulos elásticos• Potencial electroquímico• Propiedades magnéticas

Defectos CristalinosDEFECTOS PUNTUALES: estos defectos se dan a nivel de las posiciones de los átomos individuales y los mismos pueden ser:• VACANCIAS: puntos vacíos en la red cristalina,

lugares que deberían estar idealmente ocupados.• ATOMOS SUSTITUCIONALES: en teoría un material

puro debe tener el mismo tipo de átomos, pero en realidad no existe material 100% puro, todo poseen imperfecciones (definidos como átomos diferentes a los propios del material). Cuando un átomo diferente sustituye un original pasa a llamarse átomo sustitucional.

• ATOMOS INTERSTISIALES: átomos que ocupan lugares de la estructura cristalina no definidos.

Defectos CristalinosDefectos lineales: se conocen como dislocaciones, la presencia de estas, se relaciona directamente con la capacidad del material de resistir deformaciones plásticas sin romperse. • De cuña o de arista: En esta una porción extra de un plano de

átomos, o semiplano, queda insertada dentro del cristal. • Helicoidal: se forma al aplicar un esfuerzo cortante al material,

una parte se desliza una unidad atómica sobre otra.

Defectos CristalinosDefectos Superficiales: normalmente separan regiones del material que tienes diferentes estructuras cristalinas y/o orientación cristalográfica.• Superficies externas• Límites de grano• Límites de macla

Defectos Cristalinos

Defectos de volumen: Se refieren a los poros, grietas, inclusiones extrañas y otras fases, producidas en la etapa de fabricación.

Microestructura• Los materiales están formados por una gran cantidad de cristales y/o

zonas amorfas. Al conjunto de cristales (o zonas amorfas) que presentan las mismas características se les llama fases. La microestructura se define como el conjunto de fases que forman al material.

• La microestructura de un material se hace visible utilizando el microscopio óptico o electrónico, proporcionándonos información sobre los cristales individuales o granos, como normalmente se los denomina, su tamaño forma y orientación.

• Observando la microestructura podemos identificar el numero de fases que contiene el material, su distribución, fracción de volumen, forma y tamaño, etc.

• Además en las microestructuras se evidencian los defectos de superficie (limites de grano) y de volumen (poros, grietas, impurezas).

• Estas observaciones nos permiten predecir el comportamiento de un material bajo ciertas condiciones, sus propiedades mecánicas y físico-químicas derivadas de la microestructura.

Estructuras Metalográficas

La metalografía es la ciencia que estudia las características microestructurales o constitutivas de un metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas.Las estructuras metalográficas de los sólidos metálicos se generan a partir transformaciones de fases.

Tipos de estructuras:• Estructuras de nucleación y crecimiento.• Estructuras de coprecipitación (eutécticas o eutectoides).• Estructuras martensíticas.• Estructuras de compuestos intermetálicos.

Estructuras Metalográficas

PROPIEDADES RELACIONAS CON LA MICROESTRUCTURA:

• LIMITE ELASTICO• TENSION DE ROTURA• DUCTILIDAD• TENACIDAD• FRAGILIDAD• RESISTENCIA A LA FATIGA• FRACTOTENACIDAD • RESISTENCIA AL DESGASTE

METALES

METALES

• Los Metales son sólidos cristalinos conformados por un arreglo espacial de átomos, generalmente tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, una resistencia a los esfuerzos relativamente alta, gran rigidez, ductilidad y resistencia al impacto.

• Sus propiedades mecánicas y su gran versatilidad los hace de especial interés en proyectos ingenieriles.

Estructura cristalina• Estructura Metálica: La mayor parte de los metales elementales

cristalizan al solidificar en tres estructuras cristalinas de empaquetamientos compactos:

I. Centrada en el Cuerpo (BCC).II. Cúbica Centrada en la cara (FCC).III. Hexagonal Compacta (HCP).

Propiedades Generales

• Buena conductividad eléctrica• Buena conductividad térmica• Ductilidad• Posibilidad de tratarlos térmicamente• Dureza• Baja resistencia a la corrosión• Costos accesibles y disponibilidad en el

mercado

Clasificación General

METALES FERROSOS

ACEROS FUNDICIONES

METALES NO FERROSOS

PESADOS

ESTAÑOCOBRECINC

PLOMOOTROS

LIGEROS

ALUMINIOTITANIO

ULTRALIGEROS

MAGNESIOBERILIO

Metales Ferrosos

• Aleaciones férreas: Tienen como componente principal el hierro , son los que mas se producen y los de mayor interés. Esto se debe a que abundan en la tierra, la fabricación de estos es económica y se pueden adaptar para que tengan una gran variedad de propiedades físicas y mecánicas.

• Aceros: Son aleaciones de hierro-carbono con un porcentaje en peso de carbono entre un 0.03% a 2,1%. Poseen un sinfín de aplicaciones y una gran versatilidad en sus propiedades.

• Fundiciones: Son aleaciones de hierro-carbono con un porcentaje en peso de carbono mayor al 2.1%. Son mas frágiles que el acero y se utilizan, en otros, para para piezas de moldeo.

Aceros: Clasificación

Aceros al Carbono• Aceros bajo carbono: composición de hasta 0,25%C. Son

endurecidos por acritud. Microestructura de ferrita y perlita. Relativamente blandos y pocos resistentes, pero muy dúctiles y tenaces. Además son de fácil mecanizado y económicos.

• Aceros medio carbono: composición 0,25 a 0,6%C. Pueden ser tratados por austenización, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Son mas resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles y tenaces.

• Aceros alto carbono: Composición 0,6 a 1,4%C. Son mas duros, resistentes y que los otros aceros al carbono. Por lo general se utilizan en la condición templada y revenida, en la cual son resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte.

Microestructuras características• Ferrita (hierro α): Es hierro casi puro,

que puede contener hasta un 0.02% de C a máxima solubilidad. Es el mas blando de todos los constituyentes del acero, muy dúctil y maleable.

• Cementita (): Contiene 6.67% de C. Es el constituyente mas duro y frágil que puede contener el acero.

• Austenita (Hierro ɣ): Es una solución solida de C en hierro, de composición variable. Es estable únicamente a T mayores a las criticas Ac3 o Acm.

Microestructuras características• Perlita: Es un constituyente

eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita. Es de una composición constante de aproximadamente 0.8% de C. Posee características intermedias entre ferrita y cementita.

• Bainita: Esta compuesta por placas de ferrita y partículas de Fe3C en forma de agujas. Mas duros y resistentes que la perlita por su estructura mas fina. Se produce por enfriamiento moderado y tratamientos isotérmicos (Austempering).

Microestructuras característicasMartensita: Se produce por enfriamiento rápido (Temple). Los granos son de apariencia de laminas o agujas. Son los mas duros y resistentes pero mas frágiles y menos dúctiles.

Martensita revenida: Se obtiene aplicando un revenido a un acero martensítico. Incrementando la ductilidad y reduciendo las tensiones internas y la dureza.

Propiedades y AplicacionesAleación número

AISI-SAE

Composición química

(% en peso)

EstadoResistencia a la tracción Límite elástico

Alargamiento

(%)

AplicacionesTípicas

KPSI MPa kPSI MPa

1010 0.10 C, 0.40 Mn Laminado en calienteLaminado en frío

40-60

42-58

276-414

290-400

26-45

23-38

179-310

159-262

28-47

30-45

Lámina y tira para trefilado; alambre, varilla, clavos y tornillos; varilla de refuerzo para concreto.

1020 0.20 C, 0.45 Mn Laminado tosco

Recocido

65

57

448

393

48

43

331

297

36

36

Planchas y secciones estructurales de acero; ejes, engranajes.

1040 0,40 C, 0.45 Mn Laminado toscoRecocidoRevenido*

90 75116

621517800

605186

414352593

253020

Ejes, pernos, tubos con alta resistencia a la tensión, engranajes.

1060 0.60 C, 0.45 Mn LaminadoRecocidoRevenido

118 91160

814628110

70 54113

483483780

172213

Alambre para resortes, troqueles de forjar, ruedas de ferrocarril.

1080 0.80 C, 0.80 Mn LaminadoToscoRecocidoRevenido

140 89189

967 6141304

85 54142

586373980

122512

Cuerdas para instrumentos musicales, resortes helicoidales, cinceles, bloques de troqueles de forjar

1095 0.95 C, 0.40 Mn LaminadoToscoRecocidoRevenido

140 95183

966 6551263

83 55118

573379814

91310

Troqueles, sacabocados, tarrajas, fresas,hojas de tijeras, alambre de granresistencia a la tracción.

* Templado y revenido a 315°C (600°F)

Aceros de baja Aleación

• Son aceros microaleados, de alta resistencia, denominados HSLA que surgieron en respuesta al requisito de reducción de peso de los vehículos.

• Generalmente son de bajo contenido de C, típicamente por debajo del 0.2%.

• Contienen aleantes tales como Mn, P, Si, Cr, Ni, Mo, y pequeñas cantidades de Nb, V, Ti.

• Se emplean estos aceros para alcanzar una templabilidad mayor, lo cual mejora otras propiedades mecánicas.

• También se usan para aumentar la resistencia a la corrosión en ciertas condiciones ambientales.

Aceros Inoxidables• Constituyen las aleaciones de acero con un porcentaje de Cr

superior al 12%.• El Cr forma capas de oxido impermeables incluso con espesores

de pocos átomos, evitando así la corrosión del hierro.• Si se añade cantidades superiores al 20% de Cr, se proporciona

una buena resistencia a la corrosión a alta temperatura, constituyendo los denominados aceros refractarios.

Aceros inoxidables austeníticos: mantienen retenida la estructura de la austenita a temp ambiente, gracias al Ni. Las combinaciones de Cr-Ni típicas son de 18-8 y 25-20. Son de baja resistencia y gran capacidad de deformación. No son ferromagnéticos y tienen la mejor resistencia a la corrosión de todos las aceros. Se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener martensita.

Aceros Inoxidables• Aceros inoxidables ferríticos: poseen mas de un 12% en Cr y

bajo contenido de C, 0.1-0.2%. No se producen transformaciones y la estructura es ferrita hasta la fusión. Se emplean en aplicaciones que no requieren la elevada resistencia de las aceros austeníticos, siendo los ferríticos de menor costo.

• Aceros inoxidables martensíticos: poseen concentraciones de carbono entre 0.2-0.7% y de Cr en 13-18%. Pueden austenizarse y templarse obteniéndose martensita. Poseen alta resistencia, aunque su comportamiento a corrosión es inferior a los dos anteriores.

• Aceros inoxidables endurecibles por precipitación: tienen alta resistencia y tenacidad. Se aprovecha la formación de compuestos intermetálicos a altas temperaturas de revenido.

Aceros Inoxidables

Fundiciones

• Son aleaciones con contenido de C superior a 2.1% y generalmente contienen hasta un 3% de Si para controlar la cinética de transformación de carburos.

• Son excelentes para moldeo por sus T de fusión y viscosidad de la fase líquida relativamente bajas, por no formar capas superficiales indeseadas y por su moderada contracción durante la solidificación y enfriamiento.

• Las fundiciones pueden clasificarse en cinco grandes grupos: blanca, gris, maleable, esferoidal y aleada.

Fundición Blanca La fundición blanca tiene el carbono en forma de cementita y responde perfectamente al diagrama de equilibrio Fe-C. Para su formación el contenido en carbono se limita entre un 2.5 a un 3% y, sobre todo, el contenido en Si, elemento que en mayor medida favorece la formación de carbono libre en forma de grafito, entre un 0.5 a un 1.5%. Estas fundiciones son las que poseen una mayor resistencia al desgaste y a la abrasión, fundamentada en la gran cantidad de carburo de hierro que poseen, centrando en estas propiedades sus aplicaciones.

Fundición GrisLa fundición gris se forma cuando el carbono de la aleación se encuentra en una cantidad superior a la que puede disolverse en la austenita, y precipita como hojuelas de grafito, por ello cuando se fractura la superficie presenta una coloración gris mate característica. Esta fundición resulta un material de ingeniería importante debido a su bajo costo que combina con propiedades interesantes como excelente capacidad de mecanización, una buena resistencia al desgaste y una excelente capacidad de amortiguar vibraciones por lo que se ha extendido su aplicación como bancadas de máquinas.

Microestructura de una fundición gris conmatriz perlítica, X400.

Fundición NodularAl encontrarse el carbono en forma esferoidal, la continuidad de la matriz se interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar; esto da lugar a una resistencia a la tracción y tenacidad mayores que en la fundición gris ordinaria. La fundición nodular se diferencia de la fundición maleable en que normalmente se obtiene directamente en bruto de fusión sin necesidad de tratamiento térmico posterior. El contenido total en carbono de la fundición nodular es igual al de la fundición gris. Las partículas esferoidales de grafito se forman durante la solidificación, debido a la presencia de pequeñas cantidades de alguno elemento de aleación formadores de nódulos, normalmente magnesio y cerio, los cuales se adicionan al caldero inmediatamente antes de pasar el metal a los moldes.

Microestructura de una fundición nodular conmatriz perlítica, X100.

Metales no Ferrosos

TIPO CARACTERISTICAS EJEMPLOSPesados Su densidad es igual

o mayor a 5 kg/dm3Estaño, cobre, cinc plomo, cromo, níquel, wolframio y cobalto

Ligeros Su densidad esta comprendida entre 2 y 5 kg/dm3

Aluminio y Titanio

Ultraligeros Su densidad es menor a 2 kg/dm3

Magnesio y Berilio

El Cobre• Cristaliza en la red fcc, por lo que es fácilmente

deformable y tiene buena conformabilidad en frio.• Posee una resistencia media (entre 200 y 350 MPa) y

se pueden obtener alargamientos a rotura de hasta el 40%.

• No se mecaniza fácilmente por ser excesivamente blando, aunque esto se mejora añadiendo P o S.

• Es fácilmente soldable.• Muestra excelente resistencia a la corrosión, aunque es atacado por los halógenos en húmedo.• Después de la plata es el elemento con mayor

conductividad eléctrica y térmica.• Forma aleaciones para mejorar las propiedades

mecánicas y resistencia al desgaste, aunque perjudicando su conductividad. Cu 99%, atacada con Cloruro

Férrico 400X

Aplicaciones y usos del cobre• Electricidad y telecomunicaciones: gracias a su buena

conductividad y resistencia es el metal mas empleado en cables y componentes eléctricos (circuitos, conectores, escobillas, bornes, etc.).

• Medios de transporte: se emplea en varios componentes de automóviles, principalmente radiadores, cojinetes y tuberías, además de los componentes eléctricos.

• Construcción y ornamentación: Se emplea en redes de agua debido a su resistencia a la corrosión y sus propiedades antibacterianas. El cobre y el bronce se utilizan también como elementos arquitectónicos y en la construcción de estatuas y campanas.

• Monedas: el cobre y aleaciones como el bronce y cuproníquel se emplean ampliamente en monedas. Las monedas de 5, 10, 25 y 50 ctvs. son 92% cobre y 8% aluminio.

• Otras aplicaciones: Bisutería, Instrumentos musicales, calderería, electroimanes, iluminaria, calefacción y AA, microondas

Latones • Son aleaciones de Cu y Zn en las que el Zn es el

soluto por sustitución predominante.• La conductividad térmica y eléctrica disminuye al

aumentar el contenido de Zn, al tiempo que aumenta la resistencia y empeora el comportamiento a la corrosión.

• Los latones α con un contenido inferior al 40% Zn y red fcc, específicos para trabajo en frio, se utilizan en bisutería, instrumentos musicales, monedas o en arquitectura.

• Los latones β con contenidos de Zn entre el 47 y 55% se emplean fundamentalmente como aleaciones de soldadura por tener menor T de fusión que los latones α.

• Los latones γ, con un porcentaje de Zn superior al 60%, no se utilizan industrialmente por su fragilidad.

Micrografía del latón α, pulido

Bronces• Son principalmente aleaciones de Cu y Sn que

industrialmente llevan además otros elementos de aleación como P, Pb, Ni, y Zn.

• La resistencia mejora hasta un máximo entorno a 20% de Sn.

• La aparición de la fase δ dura y frágil, hace que industrialmente no se utilizan bronces con mas de 30% de Sn.

• Contenidos de Pb inferiores al 7 % mejoran la maquinabilidad y le otorgan propiedades autolubricantes. Estos se emplean en cojinetes y piezas sometidas a fricción.

• La adición de aleantes como P y Ni mejoran las propiedades mecánicas.

El cobre y sus aleaciones

Aleaciones de AluminioEl aluminio es un metal ligero con una densidad de 2.70 g/cm3, y por ello, aunque las aleaciones de aluminio tienen características mecánicas relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente. Es precisamente debido a esto que el aluminio se utiliza cuando el peso es un factor importante, como ocurre en las aplicaciones aeronáuticas y de automoción.Las aleaciones de aluminio pueden subdividirse en dos grandes grupos, para forja y aleaciones para fundición, de acuerdo con el proceso de fabricación. Las aleaciones para forja, es decir chapas, láminas, extrusión, varillas y alambres, se clasifican de acuerdo con los elementos que contengan en aleación.

Aluminio aleado con Mg y Si

Aleaciones de Aluminio

Aleaciones de Titanio• El titanio es un metal relativamente ligero (densidad de 4.54 g/cm3),

altamente reactivo y que presenta una transformación alotrópica de una estructura hexagonal densa a temperatura ambiente a una estructura c.c. a 883°C.

• El titanio es un metal caro, precisamente por su elevada reactividad, debido a su dificultad de extracción y transformación.

• No obstante su elevada reactividad, el óxido obtenido es muy estable, por lo que puede utilizarse el titanio y sus aleaciones, una vez pasivado, en aplicaciones de resistencia a la corrosión en ambientes agresivos como ambientes marinos y soluciones cloruradas.

• Comparado con el acero, aleación con la que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero. Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso que aquél, lo cual limita sus usos industriales.

Aleaciones de TitanioSu utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos; asimismo, este metal tiene propiedades biocompatibles, dado que los tejidos del organismo toleran su presencia, por lo que es factible la fabricación de muchas prótesis e implantes de este metal.

CERÁMICOS

CERÁMICOS

• Los materiales cerámicos, se definen como materiales inorgánicos y no metálicos. La mayoría de los cerámicos son compuestos formados por uno o mas elementos metálicos y uno o mas elementos no metálicos.

• El enlace interatómico puede ser de carácter iónico, o bien de carácter predominantemente iónico con algún carácter covalente.

• Las propiedades deseadas en estos materiales generalmente se alcanzan después de un tratamiento térmico a alta temperatura que se denomina “cocción”.

• Las propiedades mas representativas son la dureza, la rigidez y un elevado punto de fusión.

Estructura Cristalina

Presentan estructuras mas complejas que los metales, y la variedad de sus composiciones químicas se reflejan en la gran cantidad de estructuras que se pueden observar.Algunos ejemplos son:

• Cloruro de Cesio CsCl Red de Bravais: cubica simpleIones/celda unidad: 1Cs+1Cl-

Estructura Cristalina• Cloruro de Sodio NaCl:Red de Bravais: fccIones/celda unidad: 4Na+4Cl-

• Fluorita Red de Bravais: fccIones/celda unidad: 4Ca+8F-

Estructura Cristalina• Cristobalita Red de Bravais: fccIones/celda unidad: 8Si+16O

• Perovskita Red de Bravais: cubica simpleIones/celda unidad: 1Ca+1Ti+3O

Silicatos• La mayor parte de los cerámicos tradicionales

presenta la estructura de los silicatos, en las que se encuentra una coordinación tetraédrica.

• Son materiales compuestos por silicio y oxigeno. Las estructuras cristalinas de estos materiales no se los caracteriza en forma de celdas unitaria, sino en términos de varias combinaciones de tetraedros de.

• El enlace Si-O en la estructura es mitad covalente y mitad iónico y la coordinación tetraédrica del satisface los requerimientos direccionales de ambos enlaces.

• Ya que cada átomo de O se pueden enlazar con otros elementos, se pueden producir diferentes estructuras.

Silicatos• Se producen estructuras de silicatos aislados

o discretos cuando se enlazan iones positivos con los oxígenos del tetraedro de SiO44-, para formar minerales olivinos que cristalizan en un sistema ortorrómbico y tienen la composición química básica A2SiO4 donde A puede ser Fe, Mg, Mn o Ni entre otros.

• Si dos vértices de cada tetraedro de SiO4 4- se enlazan con los vértices de otros tetraedros, resulta una estructura en cadena o en anillo, con la fórmula química unidad SiO3 2-. El mineral Enstatita (MgSiO3) tiene una estructura en forma de cadena y el mineral berilo [Be3Al2(SiO3)6] tiene una estructura de silicato en forma de anillo.

Silicatos • Las estructuras laminares de silicato se forman

cuando tres vértices en el mismo plano de un tetraedro de silicato de enlazan a los vértices de otros tres tetraedros de silicato. Esta estructura tiene como fórmula unitaria Si2O5 2-. Estos silicatos laminares pueden combinarse con otros tipos de estructuras laminares, al tener todavía un oxígeno libre.

• Finalmente, cuando se comparten los cuatro vértices del tetraedro, se obtiene la sílice, o SiO2. Este material puede existir en varias formas alotrópicas, ya que al incrementar la temperatura la sílice, cuarzo a, pasa a cuarzo b, y posteriormente se transforma en tridimita b, cristobalita b, y finalmente a cuarzo líquido. Este compuesto es la base de materiales de gran importancia en ingeniería, como el cemento, los vidrios y los materiales silicoaluminosos refractarios y para construcción .

Cemento • El cemento es un conglomerante formado a partir de una mezcla

de caliza y arcilla calcinadas y posteriormente molidas, que luego se le agrega yeso. El yeso le da la propiedad a esta mezcla de poder fraguar y endurecerse. Mezclado con agregados pétreos (grava y arena) y agua, crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece, adquiriendo consistencia pétrea, denominada hormigón o concreto.

• Los constituyentes del cemento son minerales correspondientes a soluciones sólidas multicomponentes. Las impurezas que se contienen son muy importantes por el efecto que estas tienen en la estructura cristalina y en la reactividad de los minerales.

Vidrios • Los vidrios son materiales que durante el proceso de enfriamiento

rigidizan sin formar una estructura cristalina.• Muchos vidrios inorgánicos están basados en la sílice, SiO2, como

formador de vidrio. También en este caso podemos definir la unidad fundamental como el tetraedro SiO4 4-.

• En la variedad de sílice cristobalita, los tetraedros se encuentran unidos compartiendo vértices en una disposición regular que produce un orden de largo alcance. En el vidrio, los tetraedros se retuercen sobre sí mismos formando una red dispersa sin orden de largo alcance ninguno.

Sus principales propiedades son:• Aislante térmico y eléctrico.• Transparencia• Fragilidad • Buena estabilidad química

Vidrios

Propiedades • Frágiles (aumenta con la presencia de imperfecciones). • Duros y de baja resistencia al impacto, debido a la unión

iónica-covalente. • Resistentes a la compresión ( 5 a 10 veces mas que a la

tracción).• Baja tenacidad debido al tipo de enlace iónico-covalente.• No presenta plasticidad. • Buena estabilidad química• Alto punto de fusión• Mala conductividad eléctrica y térmica (no poseen electrones

libres).• Utilizado como refractario.• Semiconductor cerámico.

MATERIALES POLÍMEROS

POLÍMEROS

• Compuestos a base de Carbono, de origen natural o sintético, de elevado peso molecular constituido por unidades estructurales repetitivas.

• La mayoría de los polímeros comerciales no presentan un alto grado de cristalinidad.

• El amplio rango de propiedades que pueden presentar hacen que cada vez sea mayor el interés en estos materiales.

Estructuras Poliméricas

• Sus estructuras generalmente son cadenas de gran tamaño formadas por la unión covalente de varias unidades básicas (monómeros).

Clasificación Los materiales poliméricos se pueden clasificar según su estructura molecular en tres grupos:

• Polímeros lineales (Termoplásticos)• Polímeros reticulares (termoestables)• Polímeros entrelazados (elastómeros)

Polímeros Termoplásticos • Durante los procesos de obtención de este tipo de materiales la

funcionalidad f=2 da lugar a polímeros de naturaleza lineal. • Están constituidos por cadenas principales muy largas que pueden

estar ramificadas o no. Estas cadenas están ligadas entre si por enlaces secundarios. Se comportan de una manera plástica y dúctil. Se pueden reciclar fácilmente.

Micrografía del polietileno

Polímeros Termoplásticos

Polímeros Termoplásticos

Polímeros Termoestables

• En los procesos de obtención, la funcionalidad f>2 da lugar a polímeros reticulares (red tridimensional).

• Adquieren una forma permanente, no se pueden fundir y darle forma de vuelta.

• Al calentarlos se degradan y se descomponen.

• Son mas resistentes, aunque mas frágiles que los termoplásticos.

• Difícilmente reciclables.

Polímeros Termoestables

Polímeros Elastómeros • Se trata de polímeros termoplásticos o lineales ligeramente

entrelazados mediante procesos de anclaje molecular como la vulcanización.

• Algunos poseen una gran deformación elástica, gracias a sus moléculas en forma de espiral que se pueden estirar de manera reversible.

Vulcanización del butadieno

Polímeros Elastómeros

Polímeros Elastómeros

Propiedades

• El comportamiento de los polímeros esta muy ligado a su estructura

• Amplio rango de propiedades mecánicas• Algunos poseen buenas propiedades ópticas

(transparencia)• Baja densidad (elevada Ligereza)• En general son buenos aislantes térmicos y eléctricos• Buena resistencia a los agentes químicos• Versatilidad en cuanto a procesos de transformación