Apuntes Ciencias materiales.

8/20/2019 Apuntes Ciencias materiales.

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INSTITUTO POLITECNICO

NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIAMECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

CIENCIA DE MATERIALES I

ING. MARIO FERNANDO VERGARA CAMACHO

AGOSTO 2015

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OBJETIVO GENERAL:

El alumno evaluara la influencia que ejerce el arreglo atómico en las propiedadesfísicas, el comportamiento mecánico y el proceso de difusión; así mismo,

relacionara el proceso de solidificación con los diagramas de fase en equilibrio,para la solución de problemas de aplicación de materiales con base en suestructura y propiedades.

CONTENIDO SINTETICO:

I. - efectos en las estructuras metálicas. !!!!!!!!!! "ág. #II. - ifusión. !!!!!!!!!! "ág. $%III. - "roceso de solidificación. !!!!!!!!!! "ág. ##I&.- iagramas de fases. !!!!!!!!!! "ág. %$&.- "ropiedades el'ctricas, magn'ticas, ópticas y t'rmicas.!!!!!! "ág. ()

METODOLOGIA:

*onsulta bibliográfica por parte de los alumnos.iscusión y e+posiciones en clase con la coordinación del profesor.Elaboración de resmenes y cuadros sinópticos.ealiación de mapas conceptuales.Integración de equipos de trabajo para la realiación de prácticas.esolución de problemas de aplicación de los temas.

EVALUACION Y ACREDITACION:

/plicación de tres evaluaciones departamentales.0rabajos e+tra-clase y participación en clase.1olución de problemas.ealiación y entrega de prácticas.

EL 80 % DE ASISTENCIAS A CLASES LE DA DERECHO APRESENTAR LOS EAMENES DEPARTAMENTALES.

LOS E!UIPOS DE TRABAJO SON DE CUATRO ALUMNOS MAIMO.

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GENERALIDADES DE CIENCIA DE LOS MATERIALES.

El mayor objetivo de ciencia de los materiales es alentar a los Ingenieros paratomar elecciones informadas respecto del dise2o, selección y uso de materiales

para aplicaciones específicas. *uatro principios fundamentales guían el estudio de la ciencia de los materiales.

3.- 4os principios que regulan el comportamiento de los materiales están cimentados en la ciencia y son comprensibles.

5.- 4as propiedades de un material especifico están determinadas por su estructura. El procesamiento puede alterar esa estructura en forma específica

y predecible.

$.- 4as propiedades de todos los materiales cambian a trav's del tiempo con eluso y con la e+posición a las condiciones ambientales.

#.- *uando se selecciona un material para una aplicación específica se deben efectuar las pruebas suficientes y adecuadas para asegurar que el material se conservará idóneo para la aplicación correspondiente durante la vida raonable del producto.

El Ingeniero debe de6

• *omprender las propiedades asociadas con las diversas clases de

materiales. • 1aber porqu' e+isten tales propiedades y como se pueden alterar para que

un material sea más adecuado para una aplicación determinada.

• 1er capa de medir las propiedades importantes de los materiales y comoimpactarán el desempe2o durante su vida til.

• Evaluar las consideraciones económicas que finalmente regulan laaplicación de ciertos materiales.

• *onsiderar los efectos a largo plao que producen en el medio ambiente eluso de un material.

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UNIDAD IDEFECTOS EN LAS ESTRUCTURAS METALICAS.

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD.

El alumno interpretará la estructura cristalina y sus imperfecciones, mediante laresolución de problemas.

1.1." ANTECEDENTES

4a ciencia de los materiales y la ingeniería de los materiales constituyen losconocimientos sobre todos los materiales ubicados entre las ciencias básicas y lasdisciplinas de la ingeniería, incluyendo las matemáticas.

4a ciencia de los materiales tiene por objeto principal la bsqueda delconocimiento básico de los materiales; mientras que la ingeniería de los materialestrata de la utiliación del conocimiento aplicado sobre los materiales.

7/0EI/4E16 sustancia que constituyen a los cuerpos o partes limitadas de lamateria. El t'rmino materiales de ingeniería se refiere específicamente a losmateriales utiliados en la fabricación de productos.

*IE8*I/ E 7/0EI/4E16 disciplina científica relacionada con la investigación,que tiene por objeto el conocimiento básico de la estructura interna, propiedades yprocesos de los materiales.

I89E8IE:/ E 7/0EI/4E16 disciplina de ingeniería que trata del conocimientode los materiales a nivel fundamental y aplicando con objeto de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por la sociedad.

1.1.1." TIPOS DE MATERIALES UTILIZADOS EN INGENIERIA.

4os materiales tecnológicos se clasifican normalmente en categorías que sebasan en las características físicas, mecánicas, químicas, etc., obteni'ndose lossiguientes grupos6 metales, polímeros, cerámicos y compuestos.

3.3.3.3.- 7E0/4E1.

4os metales se dividen en ferrosos y no ferrosos.

Esta clase de materiales tecnológicos se distinguen por sus característicassobresalientes tales como6 transmisión de calor, capacidad de deformación sinromperse, reflectividad de la lu, conductor de energía el'ctrica etc., tambi'ne+iben una configuración electrónica que los conduce a perder electrones

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e+teriores ierro y el /cero clasifica las aleacionesde >IE?- */@?8?, en tres grupos6

1) >IE? A4*E6 /leación que contiene menos de ).)BC de carbono ycuya estructura es esencialmente ferrítica.

2) /*E?16 /leaciones cuyo contenido en carbono está comprendido entre).)BC y 5.)C. 1e les clasifica a su ve en6

A#$&' () #(*&+& , A#$&' ()$(-&'.

4os primeros se suelen subdividir en varios grupos como los siguientes63D 1uaves o de bajo carbono, conteniendo asta ).#)C *.5D 1emiduros conteniendo asta ).B)C *.$D uros conteniendo asta 3.3)C *.#D E+traduros con más de 3.3)C *.

4os aceros aleados se denominan de acuerdo con los metales más importantesque contienen ó segn el uso a que se destinan ó sus propiedades más notables."or ejemplo6

/ceros al cromo, al níquel, al tungsteno, al molibdeno, etc.

/ceros de alta velocidad, ino+idables, al corte fácil ó en frío, especiales.

$= >IE?1 *?4/?1 ? A8I*I?8E16

/leaciones conteniendo más de 5C de carbono, que en general carecen deductilidad, maleabilidad y se utilian para moldear pieas. 1e clasifican en6

a= ierro ó fundición grisb= ierro ó fundición blancac= ierro ó fundición atrucada o moteada

El primero contiene todo o la mayor parte del carbono en forma de grafito y esmaquinable.

El segundo contiene todo o la mayor parte del carbono en forma combinada comocarburo de ierro y no es maquinable con las erramientas usuales.

El tercero es intermedio entre los dos anteriores y tiene pocas aplicaciones.

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4os ierros colados pueden contener aleaciones diversas como los aceros,llamándoseles entonces aleados.

4os ierros blancos pueden ser sometidos a un adecuado tratamiento t'rmico,dando origen a los ierros o fundiciones maleables, que poseen una ductibilidad y

maleabilidad muy acentuadas y en las cuales el carbono está en forma de grafitonodular.

>ierro dctil es otra clase de ierro colado dctil y maleable que se obtiene conestas propiedades directamente del molde por la adición de ciertos elementosquímicos como el cerio y el magnesio. En ellos el carbono está en forma de grafitoesferoidal.

SAE , AISI publicaron información sobre los aceros simples al carbón, la tablacontiene del 3))B asta el 3)F%, con la diferencia que cada entidad anteponeletras al nmero; 1/E antepone sus siglas 1/E-3))B y /I1I pone *-3))B.

A.I.S.I." ierro y el /cero.S.A.E. -


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ALEACIONES DE COBRE:

B&+#$ es una aleación metálica de cobre y esta2o, fue la primera aleación deimportancia obtenida por el ombre. 1e obtienen mesclando desde 3C asta $5Cde esta2o


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L( )(4( S4$)+6 F5.%C de /g; (.%C de *u, entre (B) a G3)D* el cobre se integraa la fase de plata.

L( )(4( ()$(+( 9 ()(#( 9 M$4() *)(+#&6 /leación que va de #% a B%C decobre, 3B a 3GC de níquel, 3( a #5C de inc y 5.% C de plomo

1e utilia en atmosferas marinas, en orfebrería, en platería, en materialesel'ctricos, utensilios de cocina.

E) #&+'4(+4(+, formada con %%C de cobre y #%C de níquel, se utilia en lafabricación de resistencias el'ctricas y en la construcción de pirómetros comotermopares. E) ((; a base de inc, cobre y magnesio.

E) $4() B(*44 a base de esta2o, cobre, antimonio y a veces plomo.

L( '&)-(-( #&


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!/brasivos6 lijas, corte, pulido.

!*ementos6 *ompuestos, estructurales.

*ada uno de los materiales son relativamente duros y quebradios, la fragilidad

junto con la durea dan una particularidad a las mol'culas, cuando se trabaja aaltas temperaturas.

4os cerámicos son desde el barro que tienen partículas finas de silicato dealuminio idratado y se usa para producir ladrillos, tejas, refractarios, etc.4a sílice


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• A)-9+: es un polímero que se encuentra en las plantas y que forma parte

importante de la dieta umana. /limentos como el pan, el maí y las papasse encuentran llenos de almidón.

En 3GBB Ooon Pesley >yatta produjo un material sint'tico llamado celuloide,

combinando alcanfor con nitrocelulosa


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CLASIFICACION DE LOS TERMOPLASTICOS

"?4IE0I4E80E/0/4/0?

DESCRIPCION USO1e produce a partir del acido0ereftálitico y Etilenglicol, por policondensación; e+istiendo dos tipos6

9rado te+til y grado botella.

"ara el grado botella el polímero sedebe pos-condensar, para obtener diversos colores se le agrega elpigmento deseado.

-@otellas para embasar agua,vinagre, aceite comestible oautomotri, mayonesa, salsas.

-"elículas transparentes,fibras te+tiles, laminadosplásticos.

-Envases al vacio, bolsas paraorno y bandejas para ornode microondas.

-*intas de video y audio,películas radiográficas.

"?4IE0I4E8? /40/

E81I/

Es un termoplástico fabricado apartir del Etileno el cual se obtienedel Etano, uno de los componentesdel gas natural.

Este material es muy versátil y sepuede transformar por inyección,soplado, e+trusión o rotomoldeó.

-@otellas para cremasalimenticias, derivados de lalece como el yogurtdepósitos para crema de usoumano. -@otellas para aceite deautomóvil, cloro, artículos delimpiea, suaviantes.

-0ubos para gas, tambores, entelefonía.

-@olsas de supermercados.

*4?A? E "?4I&I8I4?

1e produce a partir de dos materiasprimas #$C de gas y %$C de clorurode sodio.

En su preparación se utilianaditivos para obtener productos condiversas propiedades, los procesosde producción más aptos son6Inyección, e+trusión, soplado.

-9arrafón de agua de 5) 4ts.


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"?4I"?"I4E8?

-1e obtiene por polimeriación delpropileno.

-4os copólimeros se formanagregando etileno durante el proceso

Es un material rígido de altacristalinidad y elevado punto defusión, e+celente resistencia químicay de baja densidad al agregarlecargas


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0E7?"4K10I*?18ombre S3)('

/cetato de celulosa */ /cetato buritaro de celulosa */@"olimeriado de "&* en emulsión E-"&*

"olietileno densidad media


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despu's de e+pandirlos al punto de uso, como relleno suelto para empacar objetos frágiles.

"oli'ster 0ermoplástico; resina a base de poli-fenilenó+ido, llamado 8orly en 9.E.que es una mecla de poli-fenilenó+ido y poliestireno de alto impacto, se utilia en

gabinetes de 0.&.; carcasas de motor debido a su resistencia al calor, soportes departes conductoras de corriente, cajas mecladoras, yugos deflectores de 0.&.

4os plásticos


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En la industria automotri se utilia en cuerpos para soporte de micas, difusoresde ventilación o calefacción, braos limpiadores, propelas.

En óptica para gafas para sol, armaones, puerta para proyectores, cuerpos paraceldas solares.

En oftalmología. 1e a empleado un polímero para fabricar lentes de contacto.

4os idrogeles son materiales con un e+celentepotencial para esta aplicación, puesto que suscaracterísticas físicas


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aglutinante para la fabricación de lijas y discos abrasivos. /demás se usa en laformulación de pinturas, barnices y adesivos.

/ continuación se muestran algunos materiales son duros, aunque frágiles. 1i secalientan despu's de procesarlos, lo que se consigue es carboniarlos, pero no

ablandarlos. "olimetilT metacolato "77/"olimetil pentano "7""oliacetal "?7esinas epo+icas


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para adesivos, en la producción de bandas automotrices, mangueras, tubossemirrígidos para cableado y calar maquinaria para su nivelación, eliminar vibraciones. 1ilicones- >ay dos tipos de silicón en el mercado.


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tacones para la industria del calado, suelas y acojinamiento de apatosdeportivos.

3.3.3.#.- *?7"AE10?1.

Están formados por más de dos materiales obteni'ndose un material conpropiedades que no tienen ninguno de sus componentes . 1e an logrado meclas

de metales, polímeros y cerámicos.

ebido a sus propiedades nicas y al eco de que estas propiedades sepueden ajustar para satisfacer un conjunto especifico de necesidades, losmateriales compuestos se convirtieron en los materiales tecnológicos másimportantes. Ejemplos6

4a ca2a de pescar, cuenta con un refuero de fibra de vidrio, grafito; el tubo depolímero que contiene los refueros mencionados es considerado la matri

poli'drica, comparativamente es d'bil pero resiste de la umedad y protege de lacorrosión o del da2o mecánico. *ombinándolos estos constituyentes se obtiene unmaterial resistente de alineamiento en las fibras y es muy ligero.

4a mecla de aluminio-boro, se utilia para aspas de ventiladores industriales. 4allanta de automóvil es una mecla de cauco, varios polímeros vulcaniados,malla de alambre y cable de alambre los cuales meclados ofrecen un servicioincomparable. 4os durmientes usados para el ferrocarril y los postes de tel'fonosson de madera umedecidos por un polímero. 4a mecla de cemento, grava,arena y agua produce el concreto; recuerde que el cemento es el aglomerante.

1.1.2." RELACIN ENTRE ESTRUCTURA PROPIEDADES YPROCESAMIENTO DE MATERIALES.

E'4#4( se puede considerar en diferentes niveles. 4a disposición de loselectrones que rodean al ncleo de los átomos individuales afecta elcomportamiento $)#4#& (3+4#& 4#& , 94#&; 4a configuraciónelectrónica influye en la forma en que los átomos se unen entre si, /demás, setoma en consideración la disposición o arreglo de los átomos.

4os metales, semiconductores, mucos cerámicos y algunos polímeros tienenuna organiación de átomos muy regular, es decir una $'4#4( #'4()+(.

?tros materiales cerámicos y mucos polímeros no tienen una organiaciónordenada. Estos materiales amorfos o vítreos, se comportan de una manera muydistinta a los materiales cristalinos.

"or ejemplo, el polietileno vítreo es transparente, en tanto que el polietilenocristalino es translucido. 1e pueden controlar las imperfecciones en laorganiación atómica a fin de producir cambios profundos en las propiedades.

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En la mayor parte de los metales, de los semiconductores y de los cerámicos seencuentra una estructura granular. El tama2o y la forma de los granos influyen enel comportamiento del material. En algunos casos como en los cips de silicio paracircuitos integrales o de los metales para componentes de los motores a corro,deseamos producir un material que contenga un solo grano, es decir, un solo

cristal.?tro ejemplo es que las características del enlace iónico o covalente de losmateriales cerámicos son responsables tanto del comportamiento frágil, quedescarta la conformación mediante deformación plástica y por maquinado, y sunaturalea refractaria, que evita el uso de m'todos convencionales de colado deuna fundición liquida.

inalmente, en la mayor parte de los materiales se presenta más de una >('$teniendo cada una de ellas su arreglo atómico y propiedades nicas. El control deltipo, tama2o, distribución y cantidad de fases dentro de un material es otra de lasprincipales formas de controlar las propiedades.

En consecuencia, la estructura, el procesamiento, las propiedades sonindependientes.

PROPIEDADES.-1e pueden considerar dos categorías6 mecánicas y físicas.

L(' &$-(-$' $#+#(': *omo la $''4$+#( que describe la forma en queun material soporta fueras aplicadas, incluyendo fueras de 4$+'9+ de#&$'9+ fueras de (#4&, fueras ##)#(' de >(43(, o 4$&>)$+#(.

/ menudo nos interesa como se comportan los materiales, al ser e+puesto a ungolpe repentino e intenso


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-&*)(-&=,compactando peque2as partículas de polvo metálico en una masa sólida


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"ara observar esto en un microscopio, se pule una superficie y se aplica sobre lasuperficie una solución ácida denominada ataque, la cual corroe los granos enmayor o menor grado, dependiendo de su orientación cristalina. En la figura % semuestra una metalografía con granos de acero ampliada 3(% veces.

4os cambios que ocurren en las aleaciones a distintas temperaturas dependen dela cantidad presente de cada elemento aleante. Esto se grafica en un diagramasde fases, que indican la composición química de la aleación y de la temperatura.Estos diagramas sirven para seleccionar los tratamientos t'rmicos y optimiar la

composición de la aleación en función a la microestructura que se desea obtener.

*omo los materiales están relacionados con su estructura atómica, la estructuradel material pueda influir sobre los m'todos de fabricación.

N


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*uatro celdas arriba y cuatro celdas abajo; esto es, sólo un octavo de cadaesquina pertenece a una celda en particular, en una celda cbica la cual sabemosque tiene G aristas esto equivale a un átomo.

C


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4os índices de 7iller para las direcciones, es la notación abreviada. 4a distancia se mide en t'rminos de parámetro de red en cada una de lascoordenadas


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?bservaciones para el uso de los índices de 7iller para direcciones6

3. Ana dirección y sus negativos no son id'nticos la dirección W3))X igual aWY3))X representa la misma línea pero en dirección opuesta.

5. Ana dirección y su mltiplo son id'nticos en la misma dirección W3))X y W5))X


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En este ejemplo determinamos los índices de 7iller del plano6

1.2." MATERIALES CRISTALINOS Y NO CRISTALINOS

G$+$()-(-$'.

1e pueden clasificar los materiales cristalinos y no cristalinos


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1.2.2." POLICRISTALES.

An solidó policristalino esta formado de mucos granos orientados en formaaleatoria y separados por limites de grano. *ada región con orden de largoalcance se llama cristalito o grano y el solidó es de tipo policristalino.

El límite entre cristales se denomina límite o frontera de grano, 4os límites degrano se detectan, tratando al metal con un acido adecuado6 el metal se disuelvecon más facilidad en el límite.

1.2.." DIFRACCION DE RAYOS : 4&-&' -$ -$4$+(#9+ -$ $'4#4('#'4()+('.

ifracción.- Interferencia constructiva, o refuero, de un a de rayos [ queinteracta con un material. El a difractado proporciona una información til enrelación con la estructura cristalina del material.

4os rayos [ son ondas de lu con longitud de onda muy corta de tan solo algunosángstrom. *omo esta es comparable a la distancia interatómica en el cristal, losrayos [ se difractan fácilmente, por lo que esta propiedad pude emplearse paraestudiar el ordenamiento de los átomos y las distancias que los separan. 4alongitud de onda de los rayos [ se puede medir de manera independienteregistrando la difracción que les produce una rejilla graduada.

1e puede obtener información sobre la estructura cristalina de un materialutiliando difracción de rayos [. *uando un a monocromático (##9+

1.2.." SOLIDOS NO CRISTALINOS.

Entre estos materiales tenemos los líquidos, polímeros, vidrios y algunos metales.1i estos se enfrían muy rápidamente desde el estado líquido en principio se puedever la falta de estructura repetitiva como un desorden volum'trico o tridimensionaly con defectos puntuales, defectos lineales y fronteras bidimensionales. Estosmateriales son amorfos en contraste con un material cristalino.

LI!UIDOS.

En su mayor parte los líquidos son fluidos, sin embargo se vuelven semirígidos,varios de ellos se pueden volver viscosos y aun sólidos sin cristaliar.

?bservando el desorden que ocurre en un metal de un solo componente o medida

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que se apro+ima a su punto de fusión para transformarse luego en líquido.

"or ejemplo el aluminio la mayor energía t'rmica a temperaturas altas introduceno tan solo vibraciones t'rmicas si no tambi'n algunas vacantes, un poco antesdel punto de fusión, el aluminio cristalino puede contener asta ).3 C de vacantes

en la red.VIDRIO.

El ingrediente básico de vidrio; es el cuaro


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3.5(G ^ y 3.$$$ ^ respectivamente. /mbos tienen estructura cristalina con nmerode coordinación 35, cuando se a2ade inc el cobre este sustituye fácilmente alcobre en la red cbica centrada en las caras asta que an sido reemplaadasapro+imadamente #)C de átomos de cobre


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un plano compacto, si es que e+iste alguno en la estructura cristalina

1..." DEFECTOS DE PUNTO.

El defecto puntual es un defecto cristalino que involucra un átomo o

algunos; estos defectos se clasifican en6

D$>$#4& (#(+4$6 sitio vació en la red.

D$>$#4& S#&44;,6 vacante de un par iónico.

D$>$#4& F$+;$)6 desplaamiento de un ion o átomo


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U*onstante del gas U 5 *aloríasQ mol0U 0emperatura en grados `elvin.

DEFECTO SCHOTTKY

Estas imperfecciones se producen por la migración de un par de iones asta una posición en la superficie libre o una frontera íntercristalina. Este proceso implica una energía de activación relativamente baja y porlo tanto se presentan como resultado de vibraciones del latice inducidast'rmicamente.

MEs un par de vacancias en un material con enlaces iónicosN. "ara mantener laneutralidad, deben perderse de la red tanto un catión como un anión .

DEFECTO FRENKEL

Este defecto se forma por el desplaamiento de un íon desde su posición normalen el latice asta un sitio en el intersticio del cristal


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componentes de los reactores.

e los tres defectos puntuales el de mayor importancia son las vacantes en losprocesos químicos y metalrgicos que se realian en materiales tecnológicoscristalinos. /sí mismo los tres defectos tienen una característica comn; lugares

vacíos en el latice, estos espacios desocupados más la distancia local del laticeque acompa2a al defecto influye en las propiedades tales como la conducción ysemiconducción el'ctrica.

1..." DEFECTOS LINEALES.

4os defectos constituyen una irregularidad cristalina que e+iste a lo largo de unalínea que se entreteje a trav's de los sitios del latice adyacente, los defectoslineales son dislocaciones y se clasifican en dos, de tipo borde y de tipo tornillo,las cuales vimos en el punto 3.$.3

1..5." DEFECTOS SUPERFICIALES.4os defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material enregiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficasdistintas.

1on varias las imperfecciones cristalinas y dimensiones de la superficie estascaracterísticas se clasifican en6 fronteras de grano, de fronteras de interfase,fronteras de dominio, fallas de apilamiento, fronteras gemelas.

1.." FACTORES !UE INFLUYEN EN EL CONTROL DE DESLIZAMIENTO.

1..1." LIMITE DE GRANO.

4os materiales tecnológicos como los metales y los cerámicos pueden estar compuestos internamente por un solo arreglo estructural, a una temperaturaparticular.

urante la cristaliación los arreglos del cristal


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El límite de grano, es un defecto superficial que separa cristales


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ordenada de los planos de empaque cerrado de las estructuras cristalinas como la***a y la >c.

4as fallas de apilamiento pueden producir dos mecanismos diferentes6

l. 1í se perturba el crecimiento de la estructura cristalina, durante la solidificación, y se inicia en forma incorrecta la formación de una nueva capa que se puede incorporar a la estructura debido al enfriamiento rápido. Ana imperfección secuencial como está, se denomina falla de crecimiento.

5. 1e requiere de la disposición de una solución de dos dislocaciones parciales, lo que produce una configuración que se conoce como dislocación e+tendida.

1..." APLICACIONES DEL MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO.

El microscopio electrónico de barrido IE? \ E4 /*E? *4/1II*/ 4?1 /*E?1 1E98 1A *?80E8I? E */@?8?, E8 *A/0? 9A"?1 I8I_AE4?163).- I8I_AE E4 8?7@E E *I8*? 7/0EI/4E1 8? E?1?1.33.- I8I_AE *I8*? /4E/*I?8E1 E4 *[email protected] 4?1 *EK7I*?1 1?8 *?7"AE10?1 _AE 0IE8E8 E4E7E80?1 7E0K4I*?1 \ 8? 7E0K4I*?1, I8I_AE 0E1 0I"?1.3$.- I8I_AE E4 8?7@E E *I8*? 7/0EI/4E1 "?4I7EI*?1 8/0A/4E1.

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3#.- I8I_AE *I8*? E 4/1 7/0EI/1 "I7/1 "// "?A*I 4?1 I10I80?1 "4K10I*?13%.- I8I_AE E4 87E?, E4 8?7@E \ 1A1 1I94/1 E *I8*? E 4?1

0E7?"4/10I*?1 E*I*4/@4E1 \ ?1 E 1A1 /"4I*/*I?8E1.3B.- I8I_AE _AE "?4I7E? E*I*4/@4E 1E *?8?*E E8 0E1 IEE80E1 "E1E80/*I?8E1.3(.- I8I_AE 0E1 /"4I*/*I?8E1 E 4/1 "?4I/7I/1


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UNIDAD II

DIFUSION


El alumno evaluará el proceso de difusión de los átomos en las estructurascristalinas, mediante la resolución de problemas, enfocados al proceso enaplicaciones metalrgicas y no metalrgicas.

2.1." CONCEPTOS GENERALES.

L( ->'9+ es el movimiento de los átomos en un material. 4os átomos semueven de manera ordenada, tendiendo a eliminar la diferencia de concentraciónproduciendo una composición omog'nea y uniforme.

El movimiento de los átomos facilita los tratamientos t'rmicos que se puedenaplicar a un material, la difusión interviene tambi'n en la manufactura de loscerámicos en la solidificación de los materiales, en la fabricación de transistores,en celdas solares y por supuesto en la conductividad el'ctrica de los materiales yalgunos materiales cerámicos, recuerde usted que la difusión tambi'n ocurre engases y líquidos.

La difusión se refiere al flujo neto de cualquier especie,

como iones, átomos, electrones, vacancias y moléculas.

La magnitud de este flujo depende del gradiente inicial de

concentraciones y de la temperatura. El proceso dedifusión es importante para un gran número de

tecnologías actuales. En el procesamiento de materiales,

es clave el control sobre la difusión de los átomos, iones y

moléculas u otras especies. Eisten cientos de aplicaciones y tecnologías que dependen

del crecimiento o limitación de la difusión.

2.1.1." ESTABILIDAD ATOMICA.

4a facilidad con la que un átomo emite sus electrones de valencia depende de la$'4(*)-(- #( que tenga. *uando un átomo es estable se resiste a ceder

sus electrones; en cambio, los inestables tienden a cederlos.

El nivel de dica estabilidad esta determinado por el nmero de electrones devalencia, ya que el átomo siempre trata de tener una capa e+terior o de valenciatotalmente llena.

4os átomos se mueven debido a que poseen algo de energía t'rmica, una manerapredecible, tratando de eliminar diferencias de concentración y de producir una

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composición omog'nea y uniforme. An átomo puede trasladarse de un puntonormal de la red y ocupar una vacancia cercana o puede moverse de un sitiointersticial a otro y pueden saltar a trav's de un borde de grano, aciendo quedico borde se mueva.

2.1.2." ECUACION DE ARRHENIUS.Es una ecuación empírica que describe la velocidad de una reacción como unafunción de la temperatura y de la barrera de energía de activación.

4a capacidad de los átomos y de las imperfecciones para difundirse aumentaconforme se incrementa la temperatura, o los átomos incrementan su energíat'rmica. 4a raón de movimiento esta relacionada con la temperatura o energíat'rmica, mediante la ecuación de /rrenius

aón de movimiento U

−

RT

Q EXP C 0

En donde M 0C N es una constante, es la constante de los gases


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4a figura es una vista de un plano aislado de átomos, se observa que la vacantese puede mover a cualquiera de las posiciones de los átomos vecinos que semuestra. /demás por las estructuras cristalinas, sabemos que el nmero decoordinación es la cantidad de vecinos más pró+ima. "or lo tanto una vacantepuede intercambiar posiciones con cualquiera de los oco átomos vecinos de la

estructura ***a, así mismo en la estructura e+agonal compacta.2.2.2. DIFUSION INTERSTICIAL.

Este m'todo de difusión consiste en el movimiento de un átomo desde unsitio intersticial c 35 B

INTERSTICIAL DESAJUSTADA.

Este mecanismo es poco comn debido a que el átomo no se ajusta o acomodafácilmente en el intersticio que es muy peque2o.

MECANISMO DE ANILLO.

Este mecanismo consiste en el intercambio directo de átomos en la redcristalina


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An átomo que se difunde debe e+cluirse de entre los átomos circundantespara ocupar una nueva posición. "ara el de la difusión de vacantes o paraocupación de intersticios quiere decir que el átomo este virginalmente en su sitiode baja energía relativamente estable para desplaarse a otro lugar, el átomodebe atravesar una barrera de energía potencial que requiere una energía de

actividad _, el calor proporciona al átomo energía para vencer esta barrera.2.." PRIMERA LEY DE FICK.

*onocida como ley de difusión. 4a velocidad a la cual los átomos sedifunden en un material, se mide por la difusión de flujo O la cual se define comoel nmero de átomos que pasa a trav's de un plano de área unitaria por unidad detiempo.

4a primera ley de ic] determina el flujo neto de átomos con la siguiente formula6

OU - xc

∆

∆

OU densidad de flujo


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difusión con la temperatura en mucos sistemas puede e+presarse por la siguienteecuación de /rrenius.

U oD-_Q0

onde U coeficiente de difusión, mQs

oD U constante de proporcionalidad, mQs _ U energía de activación de las especies en difusión, OQmol o calQmol U constante molar de los gases U G,$3# OQ


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intersticio a otro. ebido a la presencia de los átomos adyacentes, la energía deactivación es grande y la velocidad de difusión relativamente lenta.

DIFUSION EN LOS BORDES DE GRANO.

4os átomos pueden difundirse a lo largo de los bordes de grano. 7ás fácilmenteen el borde de grano debido al escaso empaquetamiento en los limites granulares,la energía de activación es baja.

En forma simple la difusión de las fronteras de grano se debe comprender quetiene movimiento y que los átomos pueden emigrar.

4os átomos simplemente saltaran a trav's de la región llamada frontera y ocupanposiciones del otro lado. En consecuencia la frontera de grano se mueve endirección opuesta al flujo neto de átomos como se observa en la siguiente figura6

1e muestra la emigración de una nueva frontera de grano en dirección de sucentro y los saltos aleatorios de los átomos a trav's de la frontera de grano aciasitios vacantes de latice.

LA DIFUSION EN LAS SUPERFICIES

Esta es la más fácil, porque en las superficies e+isten incluso menos restriccionespara que los átomos se difundan a lo largo de la superficie, las grietas osuperficies particulares.

AUTODIFUSION." M7igración de átomos en un metal puroN

1abemos que los átomos pueden cambiar de posición esto es porque losmovimientos de los átomos son aleatorios y todos los átomos son físicos yquímicamente id'nticos.4a misma condición surge con especies solventes en las soluciones sólidasdivididas, sin embargo, utiliando isótopos radiactivos


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2. S$3+-( )$, -$ F#;

2..1 D$>+#9+ , $#(#9+.

4a segunda ley de ic] se define como, la velocidad de cambio de composición

es igual al coeficiente de difusión por la velocidad del gradiente de concentración auna temperatura constante.

Esta ley describe la difusión dinámica y se obtiene por la ecuación diferencialsiguiente6

dcQdtU


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que lo contienen no perderán su efervescencia durante un periodo raonable.

?tro ejemplo de difusión es el de los recubrimientos alrededor de las fibrasópticas. 4as fibras ópticas ecas de sílice se recubren con materiales polim'ricospara prevenir la difusión de las mol'culas de agua. El agua reacciona con lasuperficie de fibra de vidrio y degrada la abilidad de las fibras ópticas para

transportar información.

2.5." A)#(#&+$' $4()


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componente de más baja temperatura de fusión. "or lo comn requiere de mediaa dos oras en un orno de sinteriación para producir los enlaces metalográficos.

L( $4()3( -$ &)&' o pulvimetria consiste esencialmente en comprimir polvo metálico fino para formar una pastilla de la forma deseada, la cual se

calienta posteriormente


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UNIDAD IIIPROCESO DE SOLIDIFICACION


El alumno interpretará el proceso de solidificación de los materiales empleados eningeniería, relacionándolo con los factores de control en la manufactura deproductos en la industria. .1." PRINCIPIOS FUNDAMENTALES.

Ana de las primeras oportunidades de controlar la estructura y propiedades de unmaterial ocurre durante la solidificación. "odemos controlar el tama2o y la formade los granos para mejorar sus propiedades generales; para obtener propiedades

uniformes o, si así lo deseamos, para obtener un comportamiento anisotrópico.Estos objetivos se cumplen al controlar la nucleación y el crecimiento del materialsolidó a partir de su estado líquido. 4a solidificación de metales y aleaciones son importantes en los procesosindustriales, debido a que la mayoría de los metales se funden para modelarlos yobtener el producto requerido.

En general la solidificación de un metal o una aleación se puede dividir en6

3. ormación de ncleos estables en el fundido


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8ucleación eterog'nea6 en este caso la nucleación sucede en un líquido fundidoel cual es vaciado en un recipiente que contiene, impureas insolubles, u otrosmateriales estructurales.

.1.1." NUCLEACION

"roceso físico mediante el cual se produce una nueva fase dentro de un material.

Es de esperarse que un material se solidifique cuando el liquido se enfri' justo por debajo de su temperatura de fusión, ya que la energía asociada con la estructuracristalina del solidó es en ese momento menor que la energía del liquido.

Esta diferencia en energía entre liquido y solidó es el cambio de energía libre devolumen vG∆ ; conforme aumenta de tama2o el solidó, vG∆ se ace mayor.

1in embargo, cuando se forma el solidó, se crea una interfase entre este y el resto

del liquido. / esta interfase se le asocia una energía libre de superficie Mσ

N,cuanto mas grande sea el solidó, mayor será el incremento en energía desuperficie. Entonces, el cambio total de energía G∆ .


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la lingotera o recipiente.

El tipo de estructura de solidificación depende de la composición del eut'ctico


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1e puede considerar tres tipos de solubilidad en que se presenta en el sistemasólido6

a= 0otal solubilidad en el estado sólido.

b= "arcial solubilidad en el estado sólido.c= 0otal insolubilidad en el estado sólido.

1e debe aclarar que los componentes / y @, de las gráficas anteriores sontotalmente solubles en los estados líquidos.

.2.2." SOBRECALENTAMIENTO

0emperatura de vaciado menos la temperatura de solidificación.

.2.." RAPIDEZ DE ENFRIAMIENTO.

Este proceso debe estar siempre bajo control debido a que un enfriamiento rápidopuede impedir tanto la nucleación como el crecimiento, resultando en sólidosamorfos, es decir vítreos, con propiedades mecánicas y físicas fuera de lo comn.

04U temperatura de fase líquida.01 U temperatura de solidificación.0/ U temperatura ambiente.*4 U concentración líquida entre 03 y 05.*1 U concentración de solidificación entre el principio y el fin de la solidificación.*E U concentración por enfriamiento desde el fin de la solidificación asta que lapiea alcana la temperatura ambiente.

_ueda comprendido que durante la solidificación y asta que la piea alcance unatemperatura ambiente se obtiene una disminución de volumen debido a que elmaterial se contrae.

P$'& -$ '&)->#(#9+ -( PSR.

En la producción de estructuras nicas al someter a los átomos a velocidadesaltas de un enfriamiento durante la solidificación tiende siempre a reducir su

47


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volumen es importante considerar que se aplique una temperatura mayor alambiente el proceso de solidificación se agilia.

.2.." TEMPERATURA DE VACIADO.

9rado t'rmico de un metal al momento de ser vaciado en un molde durante elproceso de fundición.

.2.5." TEMPERATURA DE SOLIDIFICACION.

0emperatura requerida para que solidifique un sitio particular de la fundición, unave que se a iniciado la nucleación, asta alcanar que se solidifique totalmenteuna ve vaciada en el molde.

.2.7."TIEMPO DE SOLIDIFICACION.

4a rapide a la cual el solidó crece depende de la velocidad de enfriamiento, o dela e+tracción de calor. Ana velocidad de enfriamiento rápida produce unasolidificación rápida, o tiempos de solidificación cortos.

Atiliando la regla de C&+& puede calcularse el tiempo M st N requerido paraque una fundición simple se solidifique completamente6

st U@n

A

V

(

onde M&N es el volumen de la fundición y representa la cantidad de calor quedebe ser eliminada, antes de que ocurra la solidificación. M/N es el área de lasuperficie de la fundición que esta en contacto con el molde y representa la

superficie por la cual se va a e+traer el calor de la fundición; MnN es una constante


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cambio de estado comiena a la temperatura de solidificación. ebido a la generación del calor latente de fusión se produce la $'4(*)(#9+ 4#(. El calor latente mantendrá el líquido restante a temperatura de solidificación,

asta que todo el liquido se aya solidificado y no se pueda e+traer mas calor, en estas condiciones el crecimiento es planar.

El 4$& -$ '&)->#(#9+ 4&4() de la fundición es el tiempo requerido para eliminar tanto el calor especifico del liquido sobre calentado como el calor

latente de fusión y se mide a partir del momento del vaciado, asta que secompleta la solidificación; el tiempo se determina con la regla de *vorinov.

El 4$& -$ '&)->#(#9+ )() es el requerido para eliminar solo el calor latente de fusión en algn sitio particular de la fundición, y se mide a partir del momento en que comiena la solidificación

.." PROCESOS DE FUNDICION.

..1." REGLA DE CHVORINOV.

8os indica el tiempo de solidificación de una fundición que es directamenteproporcional al cuadrado de la relación volumen a superficie de la fundición.

..2 DEFECTOS DE SOLIDIFICACION.

E+isten diferentes defectos que pudieran generarse durante la solidificación, dosmerecen mención especial6

4a mayoría de los materiales son mas densos en estado solidó que en estadoliquido. urante la solidificación el material se #&+4($, se encoge asta un (C,frecuentemente la mayor parte de la contracción produce #(-(-$', s i lasolidificación se inicia en toda la superficie de la piea. 1i una de las superficies sesolidifica más lentamente que las demás, la contracción aparece en forma de$#$.

Ana t'cnica comn para controlar cavidades y recupes por la contracciónvolum'trica es colocar rebosadero, es decir, una reserva de metal conectada a lafundición. *onforme el metal se solidifica y se contrae, fluye metal líquido delrebosadero acia la fundición, para llenar el ueco dejado por la contracción. 1oloes necesario asegurarse que el rebosadero solidifique despu's de la fundición, yque e+ista un camino o canal líquido interno que conecte el líquido del rebosaderocon el ltimo liquido a solidificar en la piea. 1e puede utiliar la regla de*vorinov en el dise2o del tama2o del rebosadero.

?tros son6 la segregación, la inclusión no metálica, la formación de gases.

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1egregación6 es la presencia de diferencias de composición fuera de equilibrio enun material, causadas a menudo por un tiempo insuficiente para lograr la difusióndurante la solidificación.

..." COLADA CONTINUA.

El metal líquido es alimentado desde un recipiente acia un molde de cobreenfriado por agua, que enfría rápidamente la superficie del acero. El aceroparcialmente solidificado es e+traído del molde a la misma velocidad que otraporción de acero líquido al entrar a dico molde. El centro del perfil de acerotermina su solidificación fuera del molde. 4a tira de material continuo se corta a laslongitudes apropiadas mediante maquinas de corte especiales que viajan a lamisma velocidad que la cinta de acero. 1e utilian procedimientos similares paraobtener Yperfiles o listones de aluminio, cobre e incluso vidrios cerámicos.

..."SOLIDIFICACION DIRECCIONADA.

4as fundiciones que se utilian para las aspas y los alabes de los motores deturbina. Estas pieas de fundición a menudo se fabrican a partir desuperaleaciones de cobalto o de níquel por fundición de cera perdida.

En las pieas fundidas convencionalmente, se produce una estructura de granosequia+iales. 1in embargo, las aspas, los alabes para motores de turbina y dereacción fallan a lo largo de los bordes de grano transversales.

1e obtienen mejores resistencias a la termofluencia y a la fractura, utiliando lat'cnica de solidificación direccionada


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ncleo comn crecen agrupamientos de láminas, aunque 4a orientación de estasdifiere de un agrupamiento a otro. *onforme estos agrupamientos crecen, puedentener una forma esferoidal que se conoce como esferulita. 4a esferulita estacompuesta por mucos agrupamientos de laminillas con orientación diferente.

7ucos polímeros no se cristalian al ser enfriados. 4a velocidad de nucleacióndel solido demasiado lenta o la complejidad de las cadenas polim'ricas pude ser tan grande, que no se forma un solidó cristalino. Incluso cuando ocurre lasolidificación, la cristaliación en los polímeros nunca es completa; quedanpresentes regiones amorfas entre laminillas individuales, entre agrupamientos delaminillas y entre esferulitas.


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3$.-EI8/ _AE E1 1?@E*/4E80/7IE80?, E8 E4 "?*E1? E1?4III*/*I8.

3#.- EI8/ 0E7"E/0A/ E 1?4III*/*I8.3%.- EI8/ 4/ E94/ E *>&?I8&.3B.- 1I 4/ 1?4III*/*I8 1E I8I*I/ E8 0?/ 4/ 1A"EI*IE E 4/ "IEH/,

_AE EE*0?1 1E "?A*E8.3(.- 1I A8/ E 4/1 1A"EI*IE1, 1E 1?4III*/ 7/1 4E80/7E80E _AE 4/1 E7K1, _AE EE*0?1 1E "?A*E8.3G.- *A/4 E1 4/ 0L*8I*/ "// *?80?4/ */&I/E1 \ E*>A"E1 "? *?80/**I8 &?4A7L0I*/.3F.- _AE E1 1E9E9/*I8 E8 A8I*I8.5).- EI8/ _AE E1 E1EA4I0/.

UNIDAD IV

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DIAGRAMAS DE FASES


El alumno relacionará en los diagramas de fases, los cambios de microestructuradel material con las variaciones en el porcentaje de componentes sólidos,mediante la resolución de problemas.

.1 CONCEPTOS FUNDAMENTALES

4os diagramas de fases son representaciones gráficas de las fases que e+istenen un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones,generalmente construidos en condiciones de equilibrio y son utiliados paraentender y predecir aspectos del comportamiento de los materiales.

/ partir del diagrama de fases, podemos predecir cómo se solidificará un materialbajo condiciones de equilibrio. 0ambi'n podemos predecir qu' fases se esperasean termodinámicamente estables, y en que concentración deben de estar presentes.

.1.1 LIMITE DE SOLUBILIDAD

Es la cantidad de material que se disolverá completamente en un segundomaterial, sin crear una segunda fase.

.1.2 FASES

1e puede definir una fase como una porción, que puede incluir a la totalidad de unsistema, que es físicamente omog'nea dentro de sí misma y limitada por unasuperficie, de tal modo que sea mecánicamente separable de cualquier otraporción.

Ana fase tiene las siguientes características6

3. 0iene la misma estructura o arreglo atómico en su interior.5. /pro+imadamente, tiene la misma composición y propiedades en su

interior

$. 0iene una interfa definida entre 'sta y las fases que la rodean o estánadjuntas.

"or ejemplo6 An vaso con agua y ielo tiene cuatro estructuras diferentes; el vasotiene la estructura del vidrio, la estructura del agua y del ielo son diferentes yfinalmente el aire sobre el vaso. El agua elada tiene su propia estructura la cualno es muy densa y carece de una coordinación de mol'culas, cada una de estasestructuras se llama fase.

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1olo ay una estructura gaseosa, esta es capa de recibir cualquier componenteque tenga la energía t'rmica suficiente para evaporarse.

&arias fases líquidas insolubles pueden estar en contacto.

Ejemplo6 /ceite y /gua; 7ercurio y /gua, de cualquier forma las meclas soncapaces de mostrar grandes cantidades de soluto, dentro de sus estructura,debido aunque esas estructuras no son cristalinas, porque carecen de lascaracterísticas compactas de una red cristalina ierro ***u, el >ierro ***a, el0itanio >*, el 8íquel ***a o el *obre ***a. 0odas estas y esencialmente lasfases metálicas sólidas son cristalinas.

"ara entender con sencille se acostumbra identificar las fases del ierro con lasletras griegas6

***u es α ierro alfa tiene de ) a F3) ****a es ϒ ierro gamma se tiene de F3) a 3$F)****u es δierro delta se obtiene de 3$F) a 3%$G *.

.1.. E!UILIBRIO DE FASES

Ana condición de balance en la cual todas las fases están compensadas, es decir que la condición parece ser de reposo en lugar de cambio.

1e determina mediante los diagramas presión-temperatura


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componentes, por lo general elementos o compuestos en el sistema; y QP elnumero de fases presentes. El valor constante Q2 en la ecuación implica quetanto la temperatura como la presión tienen posibilidad de cambiar.

En el diagrama siguiente de presión temperatura 2 ?.

b= Ana proyección de la información del diagrama de fases a 3 atm. 9enerauna escala de temperaturas en donde se se2alan las trasformacionesconocidas para el > 2 ?


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En el punto triple coe+iste 1olido, 4íquido y vapor, aunque el nmero decomponentes sigue siendo uno, e+isten tres fases, el grado de libertad no e+iste;coe+istirán las tres fases nicamente si tanto la temperatura como la presión estánfijas.

.1.5."SOLUCIONES Y SOLUBILIDAD*uando se empiean a combinar materiales distintos, es necesario determinar lacantidad de cada material que se puede combinar sin producir una fase adicional,esto es, que solubilidad tiene un material en otro.

S&)*)-(- )4(-( 1uponga que inicia con un vaso de agua y otro de alcool,el agua es una fase y el alcool otra, vaciamos en un recipiente el agua y elalcool, produciendo una fase debido a que los dos líquidos son solubles entre si,además tienen una '&)*)-(- )4(-(, independientemente de la relación deagua y alcool, siempre se meclaran produciendo una sola fase.

S&)*)-(- )4(-( *uando se agrega una peque2a cantidad de sal


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c=.- &alencia6 4os átomos deberán tener la misma valencia; de lo contrario, la diferencia de electrones de valencia alentara la formación de compuestos, en ve de la formación de soluciones.d=.- Electronegatividad6 4os átomos deberán tener apro+imadamente la misma electronegatividad. 1i las electronegatividades difieren de manera significativa,

de nuevo se formaran compuestos, como cuando se combinan sodio y cloro para formar cloruro de sodio.

4as condiciones de >ume-otery deben de cumplirse, para que dos materialestengan solubilidad solida ilimitada.

.1.8." METODOS EPERIMENTALES.

ases y solubilidad6a=.- El agua puede tener tres fases6 liquida, solida y gas.b=.- El agua y el alcool tienen solubilidad ilimitada.c=.- 4a sal y el agua tienen solubilidad limitada.d=.- El agua y el aceite prácticamente no tienen solubilidad.

.2." DIAGRAMAS DE E!UILIBRIO.

4a mayoría de los diagramas de fases an sido construidos mediante condicionesde equilibrio y se utilian para entender y predecir aspectos del comportamiento delos materiales, obteniendo la siguiente información6

a=.- 7uestran que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas en condiciones de enfriamiento lento


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4os materiales de un solo componente son considerados de una sola variable.7ás aun, cada átomo tiene un solo tipo de vecino el cual es un átomo id'ntico.*uando todos los átomos son iguales se puede calcular fácilmente los átomos quetienen un centímetro cbico o cualquier otro volumen.

"or ejemplo los elementos metálicos puros tienen aplicaciones t'cnicas, el cobreel aluminio de alta purea FF.GC se usan para fabricar circuitos microel'ctronicos.En el caso de un material puro M/N, el estado solido se transforma en estadolíquido en el punto de fusión. "ara fundir un material puro es necesario elevar sutemperatura por encima del punto de fusión. "odemos representar estatransformación mediante una línea vertical con la temperatura como nicavariable, porque la composición es constante. En este caso la línea indica unMdiagrama de faseN.

.2.2." SISTEMAS EN E!UILIBRIO DE DOS COMPONENTES.

e acuerdo con el nmero de constituyentes los sistemas se clasifican en binarios,terciarios, cuaternario, etc'tera.

El sistema de aleaciones binario más importante es el ierro-carbono. 4os acerosy fundiciones son aleaciones ierro-carbono.

4a clasificación de las aleaciones f'rreas segn el contenido en carbonocomprende tres grandes grupos6

3=- >ierro alfa cuando contiene menos del ).))G C en peso de *arbono.5=- /cero cuando la aleación e-* tiene un contenido en *arbono mayor del ).))Gy menor del 5 C en peso


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1i meclamos dos materiales M/N y M@N produciendo una aleación, tenemos dosvariables, que representaremos por dos líneas verticales y las conectaremos conuna línea oriontal, formando un marco escueto, siendo este un diagrama binario.4as dos líneas verticales conservan su identidad respectiva, la de M/N y M@N 3))Cpuros. 4a composición de los sólidos y líquidos se e+presa abitualmente como

porciento en peso, y la escala de la línea oriontal va de ) a 3)) C de M@N deiquierda a dereca o de ) a 3))C de M/N de dereca a iquierda. El espacio por encima de la oriontal y entre las dos verticales muestra las regiones o camposque indican las diferentes fases correspondientes a composiciones variables delas meclas


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R$(##9+ $4#4#(6 Ana transformación de fases en la cual, por enfriamiento;una fase líquida se combina con una fase sólida para producir una nueva fasesólida.


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3.- El esfuero de cedencia, la resistencia a la tensión y la durea de la aleación son mayores que en los materiales puros. 5.- 9eneralmente la ductilidad de la aleación será menor que la del material puro.

solo en casos raros, como en aleaciones cobre-inc, el endurecimiento por solución solida incrementa tanto la resistencia como la ductilidad.

$.- 4a conductividad el'ctrica de la aleación será muco menor que la del material puro. "or lo tanto no se recomienda el endurecimiento por solución solida en alambres de aluminio o de cobre utiliados para la transmisión de energía

el'ctrica.

.2.7."SOLIDIFICACION DE UNA ALEACIN DE SOLUCIN SOLIDAILIMITADA

En una aleación *u-#)C 8i


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completamente asta enfriarse a 33G) D*, donde el solidus fuera de equilibriocorta la composición original de #) C de níquel. / esa temperatura, se solidifica ellíquido conteniendo 3( C de níquel

. EL SISTEMA DE E!UILIBRIO@ HIERRO"CARBONO

..1 DESCRIPCIN DE DIAGRAMA

4os aceros que se emplean en la industria son aleaciones, de sus componentesel ierro es el elemento de mayor proporción y el carbono ejerce una influenciamayor sobre sus propiedades, características y tratamientos, por ejemplo6

L-&

158 C

>ierro delta, cubico centrado en el cuerpo

10C

A'4$+4(, no magn'tica, cubica centrada en las caras


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4os aceros al carbón constituyen el mayor tonelaje de metal utiliado. 4a mayor parte de los aceros al carbono contienen menos del 5C de carbono.

4as transformaciones que tienen lugar en el sistema ierro-carbono considerandoal carbono el elemento de aleación del ierro, cuando varia sus proporciones y sustemperaturas el sistema se representan en el Miagrama ierro-carburo de ierro”

1i se toma como base el contenido de carbono, es práctico dividir el diagramaierro-carburo de ierro en dos partes6

64

1130ºC


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4as aleaciones que contienen menos del 5C de carbono se conocen comoMacerosN, y las que contienen más del 5C de carbono se conocen comoMundicionesN


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66


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8?0/1 E4 I/9/7/ >IE?-*/@A? E >IE?6

/.3.- *onocido como punto crítico inferior igual para todo el acero (5$ D*.0ransformación de la austenita en perlita.

/.5.- *ambio magn'tico a (BG D*. /.$.- *onocido como punto crítico superior, el cual varia, dependiendo del contenido de carbono. 4as fases indicadas es separación de la ferrita y la separación de la cementita.

El punto O del diagrama contiene ).3B C*.

ecuerde que los aceros se consideran con un porcentaje má+imo de 5.)C decarbono.


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.. CALCULO DE REGLA DE PALANCA .En estos ejemplos consideraremos que los nmeros de 1/E, nos indicane+actamente los porcentajes de carbono que tienen los aceros.

En un acero &$4$#4&-$ 1/E-3)#) calcule las cantidades de ferrita y perlita.

-80.00 =W *onocida como "erlita 3))C -40.0=Wx , ierro ***u, llamada ferrita o ierro α

*onsiderando la formula610

0

1W W

W W X X

−−

= + 3)) U

C )-(40.511007782.0

40.0100

0218.080.0

40.080.0 ferrita=×=×

−−

=α

10

12

W W

W W X

X

−−

= [3)) U

% -5993.481007782.0

3782.0100

0218.080.0

0218.040.0=×=×

−−

= Perlita

En un acero $4$#4&-$ , ).G)C carbono, su microestructura es 3))C "erlita.

En un acero $$4$#4&-$ mayor de ).G)C de carbono, un acero 1/E-3)F)calcule las cantidades de perlita y de cementita.

-80.00 =W *onocida como "erlita 3))C

-90.0=Wx


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$.- EI8/ /1E.#.-I8I_AE 4/1 0E1 *//*0E:10I*/1 0IE8E A8/ /1E.%.- "// E80E8E *?8 1E8*I44EH, *?7? 1E /*?10A7@/

IE80II*/ 4/1 /1E1 E4 >IE?.B.- "// _AE 1E A0I4IH/ 4/ E94/ E /1E1 E 9I@@1.(.- I8I_AE 4/1 *A/0? *?8I*I?8E1 _AE 1E E@E *A7"4I "//

/"4I*/ 4/ E94/ E >A7A-?0>E\.G.- I8I_AE 4/1 *A/0? I8?7/*I?8E1, _AE 8?1 / A8 I/9/7/ E /1E1.F.- I8I_AE 4/ *4/1II*/*I8 E 4/1 /4E/*I?8E1 LE/1 1E98 E4 *?80E8I? E8 */@?8?.3).-EI8/ E/**I8 "EI0L*0I*/.33.- EI8/ E/**I8 EA0L*0I*/635.- EI8/ E/**I8 EA0L*0?IE.3$.- "// _AE 1E ?*A"/ 4/ E94/ E 4/ "/4/8*/.3#.- EI8/ I1?0E7/.3%.- I8I_AE _AE "?"IE/E1 1E "AEE8 /E*0/ /4 7EH*4/ ?1 7/0EI/4E1.3B.- _AE E80IE8E A10E "? >IE? 9/77/ \ >IE? /4/.3(.- I8I_AE 4/ 0E7"E/0A/ / 4/ _AE E4 >IE? 1E 0/81?7/ E8 8? 7/98E0I*?.3G.- I8I_AE _AE 1I98II*/ /3, /5, /$, E8 E4 I/9/7/ >IE? -*/@A? E >IE?.3F.- I8I_AE 4?1 "A80?1 E 4?*/4IH/*I8 E 4/ E/**I8

EA0E*0?IE.5).- I8I_AE 4?1 E4E7E80?1 _AE I80E&IE8E8 E8 4/ E/**I8 EA0E*0?IE.53.- E@/O? E /3, E8 _AE 1E *?8&I0I 4/ /A10E8I0/.55.- E@/O? E /3, *?8 ).G C E */@?8?, E8 _AE 1E *?8&I0I 4/ /A10E8I0/.5$.- I8I_AE E4 7:8I7? \ E4 7K[I7? E4 "?*E80/OE E */@?8? E 4?1 /*E?1 1I7"4E1 /4 */@?8?.5#.- 0?7/8? *?7? @/1E E4 *?80E8I? E */@?8?, E1 "K*0I*?

I&II E4 I/9/7/ >IE?-*/@A? E >IE?.5%.- E8 *A/80/1 "/0E1 1E I&IE8 4?1 /*E?1 E8 E4 I/9/7/ >IE?-*/@A? E >IE?.5B.-I8I_AE 4/ 1?4A@I4I/ 7K[I7/ E4 */@?8? E8 4/ /A10E8I0/.5(.- I8I_AE 4/ 1?4A@I4I/ 7K[I7/ E4 */@?8? E8 E4 >IE? ***A.5G.->/10/ *A/80? */@?8? "AEE *?80E8E E4 */@A? E >IE? \ _AE "?"IE/E1 0IE8E.

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UNIDAD V

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PROPIEDADES ELCTRICAS MAGNTICASPTICAS Y TRMICAS.


El alumno seleccionará los materiales con base a sus propiedades el'ctricas,ópticas, magn'ticas y t'rmicas, de acuerdo a su comportamiento y control enaplicaciones mecánicas.

5.1." PROPIEDADES ELCTRICAS.

4as propiedades el'ctricas de los materiales se deben al tipo de estructuraque tienen, su nmero atómico y sus electrones de valencia. Ejemplos6

/luminio nmero atómico 3$, *obre nmero atómico 5F, "lata nmeroatómico #(, ?ro nmero atómico (F, sus estructuras atómicas son ***a.

4a carga el'ctrica que adquiere un objeto está determinada por el nmero deelectrones que pierde o gana. ebido a que los electrones libres son losportadores de corriente.

1i un objeto tiene una carga negativa de 3 *oulomb, esto indica que aganado B.5G + 3) 18 de electrones e+tras.

1i un coulomb pasa por un punto en 3 segundo, se tendrá una corriente de 3ampere, 3ampere U 3 *oulombQsegundo.

4a velocidad de la corriente el'ctrica es debida a que los átomos están muypró+imos uno a otro y las orbitas se superponen, el electrón liberado entra enuna nueva orbita, en el momento en que entra transfiere su energía alsiguiente electrón, liberándolo instantáneamente, lo mismo ocurre con todoslos electrones en movimiento. "or lo consiguiente el impulso de energíael'ctrica se transfiere a trav's de la línea de átomos a una velocidad de$)),))) `ilómetros por segundo.

/naliaremos la conductancia y resistencia de algunos materiales.

4a conductancia, es la facilidad con que un metal deja fluir la energía el'ctrica.

"lata 3.)G 0ungsteno ).$35 >ierro ).3#F

*obre 3.)) Hinc ).5(% 8íquel ).35F

?ro ).(5% 4atón ).55( Esta2o ).353

/luminio ).B5% "latino ).3(5 /cero ).33B

esistencia del metal al paso de la energía el'ctrica.

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"lata ).F5 0ungsteno $.5 >ierro B.B(

*obre 3.)) Hinc $.B5 8íquel (.($

?ro 3.$G 4atón #.# Esta2o G.5

/luminio 3.%F "latino %.G /cero G.B5

"ara efectuar las pruebas de conductancia y resistencia de los metales seutilia un cubo de un centímetro por lado, y se toma de referencia al cobre.

4a resistencia de un alambre es directamente proporcional a su longitud.

1i se duplicara el área transversal, se reducirá su resistencia a la mitad, por loque tenemos que la resistencia de un alambre es inversamente proporcional asu sección transversal.

/ continuación tenemos un análisis de la longitud del circuito en metros,

calculada a 5)D*

C&$+4$

($$'

CALIBRE AG

$ B# 3)3 3B3 5%B #)( B#( 3)$) 3B$%

B $5 %3 G3 35G 5)# $5# %3% G5)

3% 3$ 5) $5 %3 G5 35F 5)( $5(

5) 3) 3% 5# $G B3 F( 3%% 5#B

5% G 35 3F $) #F (G 35# 3FB

DATOS OBTENIDOS DEL MANUAL DEL ELECTRICISTA DE CONDUCTORES MONTERREY

4a resistencia de un alambre determinará cuanta corriente fluirá a trav's delalambre cuando se conecte a una fuente de tensión. ebido a que la corriente

el'ctrica calienta al alambre, si el flujo de corriente es e+cesivo, el calor creado por la corriente puede causar que el aislamiento se queme.

5.1.1." LEY DE OHM.

4a ley de ?m e+presa la relación que e+iste entre MtensiónN, McorrienteN yMresistenciaN en un circuito de corriente el'ctrica. ica ley establece6

71

14 12 10 8 6 4 2 1/0


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4a corriente MIN es directamente proporcional a la tensión MEN e inversamenteproporcional a la resistencia MN.

4a ley de ?m se puede e+presar matemáticamente mediante las siguientestres ecuacionesN

I E / R

R E / I

E I R

En la práctica es comn abreviar

QI U es la corriente el'ctrica M/N


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E U I U 3 ampere + 3)) om U 3)) volts.

$=.- *uanta corriente producirá un voltaje aplicado de 3) volts a trav's de unaresistencia de % oms.

I U E Q U 3) volts Q % oms U 5 amperes.

P&4$+#(

Ana unidad el'ctrica básica de potencia es un joule de energía consumida por segundo, a esto se le llama Ratt. El Ratt se puede e+presar tambi'n comopotencia usada cuando fluye una corriente de un ampere a trav's de unadiferencia de potencial de un volt.

4a unidad de potencia mecánica es el caballo de fuera


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5.1.2." TEORIA DE LAS BANDAS

4os electrones en los metales se allan en una disposición cuántica en la quelos niveles de baja energía disponibles para los electrones se allan casicompletamente ocupados, a este concepto se lo conoce como teoría debanda. En esta teoría se dice que los grupos de electrones residen enbandas, que constituyen conjuntos de orbitales. *ada banda tiene un margende valores de energía, los cuales poseen electrones. En el caso de losmetales, es el paso de electrones libres lo que da sus elevadasconductividades tanto t'rmicas como el'ctricas. /dicionalmente, dica bandase conforma de bandas menores6 *(+-( -$ ()$+#( y *(+-( -$#&+-##9+.

L( *(+-( -$ ()$+#( es un nivel de energía en el que se realian lascombinaciones químicas. 4os electrones situados en ella, pueden transferirsede un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferentecarga, o serán compartidos por varios átomos, formando mol'culas.

L( *(+-( -$ #&+-##9+ es un nivel de energía en el cual los electronesestán an más desligados del ncleo, de tal forma que, en cierto modo, todoslos electrones


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electrones de la banda de conducción. "ocos de los electrones de talesmateriales tienen la energía suficiente para poder pasar por este espacioproibido, y en consecuencia la conductividad el'ctrica de los mismos es baja


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En el caso de un cristal perfecto6


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En los compuestos iónicos, sin embargo, son los iones quienes transportan lamayor parte de la carga. /dicional a esto la facilidad de los portadores


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endurecimiento, la conductividad y propiedades el'ctricas no se ven tanafectadas. Esto se debe que en este caso, e+isten regiones en los cuales elrecorrido medio de los electrones es grande, por lo que la conductividad esnicamente perjudicada en secciones en las cuales los granos se ayancomprimidos y tensionados.

5.1.." POLIMEROS CONDUCTORES.

4os polímeros tienen una estructura de banda con una gran breca deenergía, lo cual indica que su conductividad el'ctrica es baja.

Esto se debe a que los electrones de valencia en estos tipos de materialestoman parte en enlaces covalentes. 4os polímeros por ello se utilian enaplicaciones en los cuales se requieren aislamiento el'ctrico para evitar cortocircuitos y descargas.

4os polímeros en pocas palabras consisten en un buen material diel'ctrico.

8o obstante debido a la baja conductividad, en mucos casos suelenacumular electricidad estática y crean campos electroestáticos que producenda2os a los materiales que aíslan debido a las peque2as descargas contrariasque llegan a causar.

4a resistividad en un polímero puede reducirse agregando compuestosiónicos. Esto se debe a que los iones pueden viajar libremente por lasuperficie del polímero atrayendo partículas de agua


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"olicarbonato S 5)C en peso de copos de aluminio.

"olicarbonato S 5%C en peso de vidrio metaliado.

"olicarbonato S 3)C en peso de fibra de carbono de poliacrilonitrilo.

5.1.8." SUPER CONDUCTIVIDAD.

An superconductor es un material que tiene una resistencia el'ctrica igual acero bajo ciertas condiciones y recaa completamente un campo magn'tico,es un perfecto diamagneto.

/l reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del ceroabsoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente asta ser un valor nulo.

/ partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materialessuperconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados atemperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad el'ctrica de aquelmaterial se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material


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un campo el'ctrico o magn'tico. Estos metales se denominansuperconductores 0ipo II.

/ continuación se presenta en una tabla las temperaturas críticas de algunosmateriales comunes en la ingeniería.

MATERIAL TC K

S$#&+-#4& -$) 4& I:

P


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1on tambi'n típicamente meclas de mucos diferentes metales. "or ejemplo,un caso es el superconductor \3@a5*u$?(, en el cual los metales presentesson el Itrio, @ario y *obre.

S$#&+-#4&$' #$#&':TC K


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definición del color en peque2as superficies y los tiempos de transición,menores de ).3 s para pantallas planas.

E'$6&' +4$)3$+4$'

Este dispositivo esta basado tambi'n en dispositivos electro-crómicos. 0rabaja

con grandes reflectancias y bajas absorciones. 4a reducción parcial provocaun incremento en la absorción evitando altas intensidades de refle+ión en losespejos retrovisores de los coces.

A)#(#&+$' -$ )&' &)$&':

Ana de las aplicaciones más conocidas son las baterías recargables


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4a pieoelectricidad como ya se definió es una propiedad inusual quepresentan algunos materiales cerámicos


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gases de combustión que saldrían por el tubo de escape se convierten ensustancias inocuas6 *?5 y >5?.

A)#(#&+$' -$ )&' $4()$':

"ara la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia,

actualmente se usan conductores metálicos, para transmitir electricidad a()),))) voltios o más. 4os metales pueden usarse tanto en cables y líneas dealta tensión e+teriores.

4a 8orma Internacional del #&*$ $#-&


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An semiconductor intrínseco es aquel cuyas propiedades no están controladas por las impureas o los dopantes, por lo que la conducción intrínseca se define comoel comportamiento semiconductor que resulta de la estructura de bandas de unelemento o compuesto puro.

El ')#& y el 3$(+& &' se comportan como '$#&+-#4&$'+4+'$#&'. 4a breca de energía E g entre las bandas de valencia y deconducción es peque2a y en consecuencia, algunos electrones poseen suficienteenergía t'rmica para salvar la breca, entrando en la banda de conducción. 4oselectrones e+citados dejan atrás niveles de energía desocupados, es decir uecos, en la banda de valencia. *uando un electrón se mueve para llenar unueco, se crea otro en la fuente original de ese electrón.

*uando se le aplica un voltaje a un semiconductor, los electrones se mueven atrav's de la banda de conducción, en tanto que los uecos de electrones se

mueven en dirección opuesta a trav's de la banda de valencia.B(+-( -$ #&+-##9+

""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" → → → −e −e −e E+$3(""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" -$ )&' E g $)$#4&+$'""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ← ← ← + + +

""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" B(+-( -$ ()$+#(

An semiconductor intrínseco que al agregar de manera intencional un peque2onmero de átomos de impureas


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banda de valencia. 4os uecos actan como aceptantes de electrones. Este sitiocon uecos tiene una energía algo mayor que la normal y crea un nivel aceptantede energía de electrones, justo encima de la banda de valencia.

5.1.11." SEMICONDUCTORES COMPUESTOS.

El silicio y el germanio son los nicos elementos que tienen aplicaciones prácticascomo semiconductores. 1in embargo, gran nmero de compuestos cerámicos eínter metálicos presentan el mismo efecto.

4os '$#&+-#4&$' $'4$&$4#&', que son en general compuestos ínter metálico, tienen estructuras cristalinas y estructuras de banda similares al silicio yal germanio, otro ejemplo es el 3()& y el ('+#& se combinan para formar uncompuesto 9a/s, con un promedio de cuatro electrones de valencia por átomo.

4os '$#&+-#4&$' $>$#4&' & +& $'4$&$4#&' son compuestosiónicos que tienen e+ceso ya sea de aniones an desarrollado mucos dispositivos electrónicos, utiliando las característicasde la semiconduccin.

T$'4&$' 4a conductividad el'ctrica depende de la temperatura. 4ostermistores utilian esta relación para medir la temperatura, tambi'n se utilian enalarmas contra incendio. *uando se calienta el termistor, deja pasar a trav's de uncircuito una corriente más grande, que activa la alarma.

T(+'-#4&$' -$ $'9+ 4a estructura de bandas y breca de energía sonfunción del espaciamiento entre átomos en un material.*uando se aplica presión a un semiconductor, los átomosson forados a acercarse, la banda de energía se reducey la conductividad aumenta. 1i se mide la conductividad,en consecuencia se puede calcular la presión que actasobre el material.

En el caso de transductores, los cerámicos sirven paradetectar una diferencia de potencial producida por una distensión mecánica.

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El transductor es un dispositivo que recibe un tipo de entrada


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4a lu ultravioleta cubre el rango desde ).)3 a ).$Fm. y la región infrarroja see+tiende desde ).(( a 3))m. (##9+.

4os materiales fotónicos u ópticos an impactado significativamente el desarrollode las comunicaciones, en la tecnología de la información y las tecnologíasrelacionadas con la medicina.

El termino optoelectrónica, se refiere a la combinación de materiales electrónicos yópticos, como los diodos emisores de lu


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P)'4#&'.- 7ucos plásticos no cristalinos como el polietileno, metacrilato y elpolicarbonato tienen e+celentes transparencias, sin embargo en algunosmateriales plásticos ay regiones cristalinas que tienen un mayor índice derefracción que las regiones no cristalinas. 1i estas regiones son de mayor tama2oque la onda de la lu incidente, las ondas de lu serán dispersadas por refle+ión y

refracción, por lo tanto la transparencia del material disminuye, por ejemplo. 4alamina delgada de polietileno que tiene una estructura de cadena ramificada y por lo tanto un menor grado cristalino, es más transparente que la del polietileno decadena lineal más cristalino. 4a transparencia de otros plásticos parcialmentecristalinos puede variar desde el nebuloso a opaco dependiendo principalmente desu grado cristalino, contenido de impureas y relleno.

4as mltiples refle+iones internas en las regiones cristalinas reducen latransparencia de los plásticos parcialmente cristalinos.

V-&'.- El pasó de la lu a trav's de una lámina de vidrio en la que la refle+ióntiene lugar en las superficies superior e inferior y la absorción dentro de la lámina.

5.2.1." POLARIZACIN.

Es importante e+plicar que cuando uno aplica un campo magn'tico a un metalsemiconductor o un cerámico, se genera la formación y el movimiento dedipolos contenidos en un material. Estos dipolos son átomos o grupos deátomos que tienen carga desequilibrada, no así en el caso a de la aplicaciónde un campo el'ctrico dicos dipolos se alinean causando una polariación.

4a polariación ocurre cuando un lado de este átomo o mol'cula se aceligeramente más positivo o negativo que el lado opuesto, es decir, se creandipolos debidos al campo el'ctrico.

0enemos los siguientes mecanismos de polariación6

P&)((#9+ $)$#49+#(: *onsiste en la concentración de los electrones en ellado del ncleo más cercano al e+tremo positivo del campo. Esto produce unadistorsión del arreglo electrónico, y así el átomo acta como un dipolo temporalinducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es peque2o y temporal.

P&)((#9+ 9+#(: 4os enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamentecuando se colocan en un campo el'ctrico debido a las fueras que actan sobrelos átomos a más de las de enlaces. En consecuencia la carga se redistribuyedentro del material microscópicamente. 4os cationes y aniones se acercan o sealejan dependiendo de la dirección de campo causando polariación y llegando amodificar las dimensiones generales del material.

P&)((#9+ &)$#)(: /lgunos materiales contienen dipolos naturales, demodo que cuando se les aplica un campo giran, asta alinearse con 'l. 8oobstante, e+isten algunos materiales como es el caso del titanato de bario, los

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http://www.monografias.com/trabajos15/direccion/direccion.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/direccion/direccion.shtml


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dipolos se mantienen alineados a pesar de aberse eliminado la influencia delcampo e+terno.

/nteriormente, al enunciar la polariación iónica, se menciona la posibilidadde que ubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se

conoce como electrostricción, además de darse por cambios en la longitud delos enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los átomoscomo partículas en forma oval en ve de esf'rica o por distorsión debida a laorientación de los dipolos permanentes de un material. 1in embargo, e+istenmateriales que muestran una propiedad adicional, tales que cuando se lesimpone un cambio dimensional, ocurre polariación, lo que crea un voltaje oun campo. 4os materiales que presentan este comportamiento sonpieoel'ctricos. *uando se encuentran entre capas del material conductor, losmateriales diel'ctricos que se polarian son capaces de almacenar cargas,esta propiedad se describe mediante dos constantes6 constante diel'ctrica


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C&+'4(+4$ -$)#4#(." *uando se aplica un voltaje a dos materiales conductoresseparados uno del otro por un vació, es de esperarse que no aya corriente. Enve de ello, la carga el'ctrica producida por el voltaje se mantiene almacenada enel circuito. 4a magnitud de la carga que se puede almacenar entre los conductoresse le conoce como la capacitancia M*N y esta relacionada con el voltaje aplicado6

! CV

onde M&N es el voltaje a trav's de los conductores y M_N es la carga almacenadaen coulombs. 4a unidad de capacitancia es el coulombsQvolt o farad


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5.2.." REFRACCION Y REFLEION.

4os fotones pueden no interactuar con la estructura electrónica del material,entonces ocurre una transmisión, incluso en la transmisión los fotones cambian develocidad y se presenta la $>(##9+.

En la refracción el rayo de lu que se atraviesa de un medio transparente a otro,se denomina rayo incidente; el rayo de lu que se desvía al ingresar al segundomedio transparente se denomina rayo refractado; el ángulo en que el rayoincidente, al ingresar al segundo medio, forma con la perpendicular al mismo, sedenomina ángulo de incidencia; el ángulo que el rayo incidente forma con el rayorefractado, al desviarse, se denomina ángulo de refracción.

*omo ejemplo tenemos un cuerpo parcialmente sumergido en agua se ve cueco;como si se doblara al entrar al agua. E'4$>$+9$+& '$ ))(( $>(##9+. /demás delagua se observa en mucos otros mediostransparentes, como el vidrio, llamados

refringentes. 4os fenómenos de refracción seincorporan a la óptica geom'trica simplementesuponiendo que los rayos luminosos cambiande dirección no sólo al reflejarse sino tambi'n alpasar de un medio refringente a otro; por ejemplo, del agua al aire, o del agua al vidrio, odel vidrio al aire.

El fenómeno de la refracción era conocidodesde la antigedad. 4a ley de la refracción fuedivulgada por escartes en 3B5(, pero se

conoce universalmente como la ley de 1nell. 8orelaciona los ángulos de los rayos luminosos con la perpendicular a lasuperficie de refracción, sino los senos de esos ángulos. En símbolosmatemáticos se e+presa así6

sen


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El valor de MnN de un medio se define como el cociente entre la velocidad de lalu en el vacio McN y la velocidad de la lu en el medio considerado.

4os índices medios de refracción de algunos vidrios y sólidos cristalinos,varían desde 3.# a 5.B m. 4a mayoría de los vidrios de sílice tienen valoresentre 3.% y 3.( m. El diamante de alta refracción )$=9+ -$ )( ) esnecesario suponer que la dirección de los rayos luminosos cambia en algunas

circunstancias. Ana imagen en un espejo se ve como si el objeto estuviera atrás, yno frente a 'ste. 4a óptica geom'trica e+plica este familiar fenómeno suponiendoque los rayos luminosos cambian de dirección al llegar al espejo. 4a forma precisaen que ocurre este cambio se conoce como ley de la refle+ión de la lu. Es una leymuy sencilla6 los rayos incidente y reflejado acen ángulos iguales con el espejo; ocon la perpendicular al espejo, que es como suelen medirse estos ángulos. Estaley, por cierto, tambi'n se puede deducir aplicando la ley de variación del tama2oaparente con la distancia para e+plicar los tama2os aparentes de un objeto y de su

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imagen en un espejo plano. o dico de otra forma, si vemos nuestra imagen en unespejo plano del tama2o que la vemos es porque los rayos incidente y reflejadoforman ángulos iguales con el espejo.

L( )$, -$ )( $>)$=9+ -$ )( ): $) +3)& -$ +#-$+#( , $) -$ $>)$=9+ -$ +(,& )+&'& '&*$ +( '$>#$ '&+ 3()$'@ $'4& $' .

L( )$, -$ )( $>(##9+ -$ )( ): $) '$+& -$) +3)& -$ +#-$+#( '$+ , $) '$+&-$) +3)& -$ $>(##9+ '$+ X -$ + (,& )+&'& $ (4($'( )( '$>#$ -$'$((#9+ -$ -&' $-&' 4(+'($+4$' $'4+ $+ )(' '( &&#9+ (( #()$ ()& -$) +3)& @ $'4& $' '$+ /'$+ X +. ' )( ) ('( -$ ($ () (3( '$+ /'$+ X /.

E6$)&' -$ ()#(#&+$':

E'$6&' $4&'&$':

- L(4$() 4os espejos conve+os se utilian como espejos retrovisores en los veículos,debido a que generan imágenes derecas de los objetos en cualquier posición queellos se encuentren. *omo las imágenes son de menor tama2o que los objetos,tenemos la sensación que ellos están más alejados de lo que realmente están; por eso es que generalmente los fabricantes nos advierten sobre esto.

- C$+4()En este caso se observa que del espejo salen dos rayos de lu uno incidenteapro+imadamente GC, se refleja en la superficie delantera del vidrio. 4a mayor parte de la lu incidente restante se encuentra en la interfase aire-vidrio, se refleja

en forma total en la superficie del recubrimiento de plata en la parte trasera delvidrio, y se vuelve a refractar en la interface vidrio-aire.

E) #(*& -$) $'$6& -$ -( ( +$ $4$ () #&+-#4& '$)$##&+( #) -$ )&' -&' (,&'$$ $. E+ $) (6'4$ Q-( $ $) ( -$ +4$+'-(- $)(4($+4$ ()4( $ '$ $>)$6( -$ )('$>#$ 4('$( )(4$(-(. E+ &'#9+ Q+$ '$ '$)$##&+( $) ( -$ *(6( +4$+'-(-$>)$6(-& -$ )( '$>#$ -$)(+4$( $-#$+-& () +& )&' -$'4$))&' -$ )&' >(&' -$ )&'(4&9)$'.

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4o que el conductor ve en posición nocturna es el G C y en diurna el F5 C

5.2.5." ABSORCION TRANSMISIN Y DISPERSIN.

4os fotones pueden ceder su energía al material, en cuyo caso ocurre la(*'&#9+.

4a porción de a incidente que no es reflejadapor el material es absorbida o transmitida a trav'sdel mismo. 4a fracción de lu absorbida estárelacionada con el espesor del material y la formaen la cual los fotones interactan con suestructura.

*ada material absorbe lu de algn grado debidoa la interacción de los fotones de lu con laestructura electrónica de los átomos iones o

mol'culas que constituyen el material. 4a fracciónde lu transmitida por un material determinadodepende de la cantidad de lu reflejada yabsorbida por el mismo. "ara una determinada longitud de onda


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- T(+''9+. 4a fracción del a que no a sido reflejada ni absorbida setransmite a trav's del material.?bservamos que la intensidad del a transmitido dependerá de la longitud deonda de los fotones dentro del a. 1i sobre un material incide un a de lublanca y se absorben, se reflejan y se transmiten fracciones equivalentes de

fotones con longitudes deonda diferentes, el atransmitido tambi'n seráde lu blanca. "ero, si losfotones de longitud deonda más larga sonabsorbidos en mayor proporción que los delongitud de onda máscorta, la lu transmitidaaparecerá del color de lalongitud de onda cortacuya absorción aya sidomenor. 4a transparenciano es otra cosa que la

transmisión íntegra de los aces de lu que inciden sobre el material y laintensidad del a tambi'n depende de características microestructurales.

*uando cualquiera de estos tres fenómenos ópticos se da de forma que solofotones con un intervalo específico de longitud de onda son absorbidos, reflejadoso transmitidos, se producen propiedades ópticas poco comunes, que se traducenen cambios de color


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4a fibra óptica consiste en una guía de lu con materiales muco mejores quelos convencionales en varios aspectos. En la fibra óptica la se2al no se atenatanto como en el caso del típico cable de cobre, ya que en las fibras no sepierde información por refracción o dispersión de lu consigui'ndose asíbuenos rendimientos, y en el cobre, sin embargo, las se2ales se ve

Apuntes Ciencias materiales.

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