ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

INTRODUCCIÓN A LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

Introducción

Se están creando continuamentenuevos materiales. La producciónnecesita materiales, por eso losingenieros deben conocer de laestructura interna y propiedad delos materiales, de modo que seancapaces de seleccionar el masadecuado para cada aplicación ydesarrollar los mejores métodos deprocesado.

INTRODUCCIÓN A LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

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Los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedad de los materiales

Seleccionar el material mas adecuado para cada aplicación permite desarrollar los mejores métodos de procesado.

La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente.

Por ejemplo:

Los ingenieros mecánicos buscan materiales para altastemperaturas, de modo que los motores de reacción puedanfuncionar mas eficientemente

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Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos

materiales para conseguir que los dispositivos electrónicospuedan operar a mayores velocidades y temperaturas

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Los ingenieros mecánicos buscan materiales para altastemperaturas, como en el caso de los rodamiento,pues los tratamientos térmicos especiales en lasuperficie favorecen su resistencia al desgaste.

En el marco de un nuevo proyectofinanciado con fondos comunitarios seestán desarrollando nuevos materialespara dispositivos electrónicos

http://www.morganproject.eu/

Tipo de enlaces atómicos

Enlaces metálicos

En metales en estado sólido, los átomos se encuentranempaquetados relativamente muy juntos en una ordenaciónsistemática o estructura cristalina.

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En el enlace metálico los electrones de valencia más externosde los átomos son compartidos por muchos átomos circundantesy de este modo, en general, el enlace metálico no resultadireccional

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Enlace iónico

• Los enlaces iónicos se pueden formar entre:

– elementos muy electropositivos (metálicos)

– elementos muy electronegativos (no metales)

En el proceso de ionización los electrones sontransferidos desde los átomos de los elementoselectropositivos a los átomos de los elementoselectronegativos, produciendo:

– cationes cargados positivamente y

– aniones cargados negativamente

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Enlace covalenteUn segundo tipo de enlace atómico primario es el

enlace covalente.

Enlace covalente Enlace iónico

El enlace iónico involucra átomos muy electropositivos y electronegativos

El enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad

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Características:• Los átomos generalmente comparten sus

electrones externos con otros átomos.

• En un enlace covalente sencillo cada uno delos átomos contribuye con un electrón a laformación del par de electrones de enlace

• se pueden formar enlaces múltiples de paresde electrones

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Estructuras cristalográficas que constituyen a los materiales cristalinos.

Sistemas cristalográficos

La cristalografía es la cienciaque estudia los diferentes tiposde estructuras.

Son necesarias solo siete tiposdiferentes de celda unidad paracrear todas las redes puntuales.

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Hay cuatro tipos de celdas unidad:

– Sencilla

– Centrada en el cuerpo

– Centrada en las caras

– Centrada en la base

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La mayoría de los metales elementalesalrededor del 90 % cristalizan en tresestructuras cristalinas densamenteempaquetadas:

• Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

• Cúbica centrada en las caras (FCC

• Hexagonal compacta (HCP).

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La mayor parte de los metalescristalizadas en esas estructurasdensamente empaquetadas debido a que selibera energía a medida que los átomosse aproximan y se enlazan cada vez másestrechamente entre sí .

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En este caso la red se conoce como Cúbica centrada en las caras (FCC), y el

motivo es el átomo de hierro (Fe).

• Ruina Universal de Ensayos: capacidad máxima de 120kN (12 t), concuatro escalas, se realizan ensayos de tensión, compresión, flexión y

corte.

• Durómetro Universal Digital: durezas Rockwell, Brinell y Vickers.

• Péndulo de Impacto: ensayos según métodos Charpy e Izod, capacidadmáxima 300J. Para metales.

• Péndulo de Impacto para Plásticos: capacidad máxima aproximada 8J.

• Cámara Climática: ensayos con temperatura y humedad variable.Máquina de Fatiga por Flexión Rotativa: capacidad máxima de 270kg*cm.

Estasmaquinas permiten ver la resistencia de los materiales

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METALURGIA, ALEACIONES. FERROSAS Y NO FERROSAS

METALURGIA, ALEACIONES. FERROSAS Y NO FERROSAS

Introducción ala metalurgia

La metalurgia es la ciencia y técnica de la obtención y tratamiento

de los metales desde minerales metálicos, hasta los no metálicos.También estudia la producción de aleaciones y contra la corrosión.

METALURGIA, ALEACIONES. FERROSAS Y NO FERROSAS

Clasificación general de las aleaciones ferrosas

• La *Composición: Esta clasificación tiene en cuenta cual esel elemento que se halla en mayor proporción (aleacionesferrosas, aleaciones base cobre, etc.). Cuando los aleantesno tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeñaproporción, mientras que si únicamente se mezclan metales,los aleantes pueden aparecer en proporciones similares almetal base.

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• Las aleaciones presentan brillo metálico y altaconductividad eléctrica y térmica, aunque usualmentemenor que los metales puros. Las propiedades físicas yquímicas son, en general, similares a la de losmetales, sin embargo las propiedades mecánicas talescomo dureza, ductilidad, tenacidad etc. Pueden ser muydiferentes

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Historia de la metalurgiaEl cobre fue el primer metal descubierto por encontrarse en estado casi

puro en la naturaleza y fue trabajado al final del periodo Neolítico.Al principio, se le golpeaba hasta dejarlo plano como una hoja.Después se aprendió a fundirlo con fuego y vaciarlo en moldes, lo quepermitió fabricar mejores herramientas y en mayor cantidad.

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Procesos metalúrgicos

Los procesos metalúrgicos comprenden las siguientes fases:

Obtención del metal a partir del mineral que lo contiene en estado natural,

separándolo de la ganga.

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El afino, enriquecimiento o purificación: eliminación de las impurezas que quedan en el

metal.

Elaboración de aleaciones.

Otros tratamientos del metal para facilitar su uso.

Operaciones básicas de obtención de metales:

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Hierro forjado:

Es la forma más antigua fabricada por el hombre. Fueoriginariamente producido por una reducción lenta delmetal en el hogar de la forja partiendo de mineral dehierro.

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• En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación deacero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa. El aceroinoxidable es resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otrosmetales que contiene, posee gran afinidad por el oxígeno y reaccionacon él formando una capa pasiva dora, evitando así la corrosión delhierro. Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos,dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismosintergranulares o picaduras generalizadas. Contiene, por definición,un mínimo de 10,5% de cromo. Algunos tipos de acero inoxidablecontienen además otros elementos aleantes; los principales son elníquel y el molibdeno

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Aleaciones no ferrosas:

Resiste a la oxidación y corrosión se moldean y mecanizan fácilconductividad. térmica y eléctrica.

Su característica principal es su bajo Peso y a relación de laresistencia mecánica a Presión .

--La resistencia y dureza de aleación se cambia por trabajo en frío yT.T.

El frío rápido : da granos finos mejora resistencia al impacto sonmas duro y fuertes

.--El frío o calor lento da granos gruesos da mejor ductilidad.

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Tratamiento térmicoEl tratamiento térmico es:

la operación de calentamiento y enfriamientode un metal en su estado sólido atemperaturas y condiciones determinadas paracambiar sus propiedades mecánicas.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Permite:

reducir los esfuerzos internos, el tamaño delgrano, incrementar la tenacidad o produciruna superficie dura con un interior dúctil

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal

para que se reciba un tratamiento térmico esrecomendable contar con los diagramas de cambio defases como el de hierro − carbono.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

En este tipo de diagrama se especifican:

las temperaturas en las que suceden loscambios de fase (cambios de estructuracristalina).

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Tipos de tratamientos térmicos:

• Tratamientos en la masa: recocidos y normalizados,temples y revenidos.

• Tratamientos superficiales: temple superficial ytratamientos termoquímicos (cementación,carbonitruración, boruración y nitruración).

• Tratamientos de superficie (depósitos).

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Desarrollo de los tratamientos térmicos

Calentamiento hasta la temperatura fijada (temperaturade consigna)

La elevación de temperatura debe ser uniforme, por loque cuando se calienta una pieza o se hace aumentandola temperatura muy lentamente o se va manteniendo untiempo a temperaturas intermedias, antes del paso porlos puntos críticos, este último es el calentamientoescalonado.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Permanencia a la temperatura fijada

Largos mantenimientos y sobre todo a altas temperaturasson "muy peligrosos" ya que el grano austenítico crecerápidamente dejando el acero con estructuras finalesgroseras y frágiles.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Enfriamiento desde la temperatura fijadahasta la temperatura ambiente:

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Hornos utilizados para el tratamiento térmico

El calentamiento por gas puede ser:

Tipo de fuego directo

Combustión indirecta

Tubos radiantes

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

En vacio

• Sintetizar carbonos cementados ypara el tratamiento térmicoespecial de aceros aleados

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Hornos de atmósfera del tipo de generador Exotérmico o endotérmico

Introducen hidrocarburos y aire secos limpiosconvenientemente dosificados se queman en lacámara de combustión se filtran y se separanen del agua. El gas seco resultante seintroduce al horno de tratamiento térmico

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Concepto, características y desarrollo del normalizado

Consiste en calentar la pieza anormalizar por encima de la temperaturade transformación perlita−austerita.

Temperaturas a un periodo de una hora ydespués se enfría al aire.

Sirven para afinar la estructura yeliminar las tensiones.

Se utiliza para piezas fundidas,forjadas o mecanizadas.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Recocido del aceroSu objetivo principal es "ablandar" el acero para facilitar su mecanizado

posterior. También es utilizado pararegenerar el grano o eliminar las tensiones internas. Se debe tener en cuenta

que los recocidos noproporcionan generalmente las características más adecuadas para la

utilización del acero y casi siempre elmaterial sufre un tratamiento posterior con vistas a obtener las

características óptimas del mismo.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

RevenidoDespués del temple, los aceros suelen quedar demasiado duros y frágiles

para los usos a los que estándestinados. Esto se corrige con el proceso del revenido, este proceso consiste en calentar el acero a una temperatura mas baja que su temperatura critica

inferior, enfriándolo luego al aire, en aceite o en agua, conesto no se eliminan los efectos del temple, solo se modifican, se consigue

disminuir la dureza, resistencia, ylas tensiones internas, y se aumenta la tenacidad.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Elementos de aleaciónNinguno de los factores anteriores se usa específicamente para aumentar la

templabilidad, esto se lograprincipalmente mediante la adición de elementos de aleación al acero,

exceptuando al Cobalto.Existen muchos ensayos para determinar la templabilidad, pero el más

utilizado es el ensayo Jominy, cuyosresultados se expresan como una curva de dureza frente a la distancia desde

el extremo templado.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

El aumento del contenido de carbonoUn incremento del contenido de C en un acero aumenta

fuertemente su dureza y su templabilidad. Sinembargo, un alto % de C no siempre es deseable, por eso, una

alternativa para aumentar la dureza de un acerode bajo C es añadir elementos de aleación

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Recocido Súper críticosDe austenización completa (recocido de regeneración): se calienta el acero a

temperaturas superiores a lascríticas Ac3 ó Accm para transformar el material en austenita, mayormente

se utilizan para los aceros quepresentan efectos de fatiga. De austenización incompleta (recocido globular

de austenización incompleta): serealizan a solo temperaturas superiores a las Ac1 y Ac3−2−1 se convierte la

ferrita en austenita

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Recocido IsotérmicoA diferencia de todos los anteriores se trasforma la austenita en perlita a una

temperatura constante.En el recocido de segundo genero o de austenizacion completa ,se calienta el

material por encima del puntocritico superior , y se mantiene caliente hasta lograr una homogenización del

material, luego producimos unenfriamiento lento para conseguir que el acero quede blando , cuanto mas

lento sea el enfriamiento masblando será el acero,

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

TempleEl temple es un tratamiento térmico que consiste en enfriar muy

rápidamente, la mezcla austeniticahomogénea, que tenemos después de calentar el acero, con este

enfriamiento rápido se consigue un aumentode dureza, ya que el resultado microscópico final es una mezcla martensítica.

La temperatura de temple paralos aceros hipoeutectoides son de 30−50 grados, por encima de esta

temperatura, el grano de austenita crecemucho, obteniéndose austenita basta de baja tenacidad.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero:

• Cementación: Las superficies de las piezas deacero terminadas se endurecen al calentarlascon compuestos de carbono o nitrógeno.

• Carburización: La pieza se calientamanteniéndola rodeada de carbón vegetal,coque o gases de carbono.

• Cianurización: Se introduce el metal en unbaño de sales de cianuro, logrando así queendurezca.

• Nitrurización: Se usa para endurecer acerosde composición especial mediante sucalentamiento en amoniaco gaseoso.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

POLÍMEROS, CERÁMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS.

POLÍMEROS, CERÁMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS.

Tipos de materiales

La mayoría de los materiales de laingeniería están divididos:

• Metálicos

• Polímeros

• Cerámicos

• Compuestos

POLÍMEROS, CERÁMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS.

Materiales metálicos, estos materiales son sustanciasinorgánicas que están compuestas de uno o mas elementosmetálicos, pudiendo contener también algunos elementos nometálico, ejemplo de elementos metálicos son hierro cobre,aluminio, níquel y titanio mientras que como elementos nometálicos podríamos mencionar al carbono.

POLÍMEROS, CERÁMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS.

Los materiales de cerámica , como los ladrillos, el vidrio laloza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasasconductividad tanto eléctrica como térmica y aunque puedentener buena resistencia y dureza son deficientes enductilidad y resistencia al impacto.

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La antena panel para internet tiene una construcción robusta en polímeros de alta densidad y

resistencia ala radiación ultravioleta

POLÍMEROS, CERÁMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS.

Polímeros, en estos se incluyen el caucho (el hule), los plásticos y muchos tiposde adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir demoléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas.

COMPUESTOS• Metalurgia polvos: La matriz polvo vertido al rededor de

fibras.

• Material compuesto laminar: recubrimiento, materialbimetálico madera (celulosa+lgnito).

• con fibra: mejora resistencia al esfuerzo y fatiga ,relación resistencia y peso , rigidez.

• El concreto es un ejemplo importante de compuesto poraglomeración

• La fibra de vidrio proporcionan alta resistencia y altomodulo de elasticidad en una matriz polímero que proporcionaductilidad.

POLÍMEROS, CERÁMICOS Y MATERIALES COMPUESTOS.

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