Materiales de Ingenería

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Bibiana del C. Hernández Hernández Carlos Alberto Mayo Hernández Eduardo Pozo Montuy Ricardo Magno Lemus Alor Jorge Salvador Coll

Procesos de Manufactura

Materiales enIngeniería

Catedrático: Ing. José Alberto Lázaro Garduza

UP

C

Universidad Politécnica del Centro

Los materiales son los productos útiles para la actividad tecnológica, y que se obtienen de las materias primas (los recursos naturales).

Introducción MATERIALES


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Introducción MATERIALES DE ING.

Ciencia se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales útiles y sus combinaciones para dar forma y utilizaciones que la sociedad demande.


Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración, los materiales mas puros son los que se encuentran en la tabla periódica.

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

Introducción MATERIALES PUROS

Los materiales puros se clasifican en:

Metales

Metaloides

No Metales


Introducción ALEACIONES


Las aleaciones son productos homogéneos de propiedades metálicas de dos o más elementos.

Estas aleaciones pueden ser:

Ferrosas.

No ferrosas.


Introducción ORGÁNICOS E INORGÁNICOS

Todos los seres vivos estamos constituidos por una mezcla de materia orgánica e inorgánica. Ambas son necesarias porque desempeñan un papel fundamental en nuestra vida.

- La materia inorgánica se encuentra en los minerales tales como el agua, las sales y el dióxido de carbono.

- La materia orgánica podemos encontrarla en raíces, animales, organismos muertos, restos de alimentos, etc.


Introducción PROPIEDADES

Las propiedades de los materiales son las características que hacen que los materiales tengan un determinado comportamiento frente al calor, la electricidad, la luz, los esfuerzos, etc.

Conocer estas propiedades es muy importante para saber cuáles son sus mejores aplicaciones.

Materiales Tradicionales

Ferrofluido

Grafeno

Nuevos Materiales

Un

iver

sid

ad

Po

lité

cnic

a d

el C

en

tro

CLASIFICACIÓN

Todos los materiales sólidos

pueden clasificarse, de acuerdo a su

estructura molecular, en cristalinos y amorfos.

CLASIFICACIÓN

Cristalino

Las moléculas están ordenadas en 3 dimensiones,

que se llama ordenamientoperiódico.

Amorfo

Las moléculas se enmarañan

en un completodesorden.

Contenido


CLASIFICACIÓN

ESTRUCTURA

CLASIFICACIÓN

METALES

Buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones permiten una mejor combinación de propiedades.

CERÁMICOS

Son usados a menudo como aislantes. Fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Usualmente se utilizan como materiales de construcción. Ejemplos: Ladrillo, vidrio, porcelana, etc.

POLÍMEROS

Grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas están los dispositivos electrónicos.

COMPUESTOS

Formados a partir de dos o más materiales de distintos grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.

Contenido


CLASIFICACIÓN

GENERAL

Materiales

Puros

Aleaciones Ferrosas y

No Ferrosas

Orgánicos e Inorgánicos

Contenido


CLASIFICACIÓN

GENERAL

CLASIFICACIÓN

METALES Buenos conductores de la corriente eléctrica y calor, son dúctiles y maleables, presentan un brillo metálico, todos son sólidos excepto el mercurio. Tienen una alta densidad pero una de sus propiedades más significativas es que cuando se unen a otros elementos, pierden electrones, formando iones positivos.

NO METALES Malos conductores de la corriente eléctrica y el calor, con excepción del carbón grafito; por lo general son opacos y quebradizos, pueden existir en cualquier estado de agregación (sólidos, líquidos y gaseosos); una de sus propiedades significativas es que cuando se unen a otros elementos, ganan electrones, formando iones negativos.

METALOIDES Son los que comparten algunas de las características de los metales pero sin llegar a serlo.

ContenidoMATERIALES PUROS


Las aleaciones ferrosas son las que contienen un porcentaje muy alto de hierro, como el acero o los hierros fundidos.

Se dividen en tres grupos principales:

Aceros simples. Aceros inoxidables. Hierros fundidos.

Son duros o livianos,resistentes a la corrosión y tienen resistencia mecánica.

ContenidoALEACIONES FERROSAS


CLASIFICACIÓN

La aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación; mientras que las aleaciones no ferrosas, tienen un metal distinto del hierro.

Los aceros que son aleaciones ferrosas son los más importantes, principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas.



ACEROS SIMPLES

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Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes por su alta resistencia a la corrosión; para ello, debe contener al menos 12% de Cromo.

Los elementos de aleación (níquel, cromo y molibdeno) se añaden a los aceros al carbono para producir aceros de baja aleación.

Los aceros de baja aleación presentan alta resistencia y tenacidad, y son de aplicación común en la industria de automóviles para usos como engranajes y ejes.



ACEROS INOXIDABLES

Los hierros para fundición, son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas.

Son de bajo costo y tienen propiedades especiales, tales como una buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y durabilidad.

La fundición gris tiene una alta maquinabilidad y capacidad de amortiguamiento de vibraciones, debido a las hojuelas de grafito en su estructura.



HIERROS P/FUNDICIÓN

Estas aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), como P, C, Si, S, As.

Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuál o cuáles elementos se encuentran presentes en mayor proporción, denominándose a estos elementos componentes base de la aleación.

Los elementos que se encuentran en menor proporción, serán componentes secundarios o componentes traza.

ContenidoALEACIONES NO FERROSAS


CLASIFICACIÓN

Las Aleaciones no ferrosas, son aquellas que carecen de hierro o tienen un bajo nivel de éste.

Los metales no ferrosos se pueden clasificar en:

Pesados.

Ligeros.

Ultraligeros.

Alta resistencia a la corrosión, buenas propiedades de tensión, muy dúctiles aún a temperaturas bajas y resistencia mecánica.


CLASIFICACIÓN




CLASIFICACIÓN

Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:

Plásticos Productos del petróleo Madera Papel Hule Piel

ContenidoMATERIALES ORGÁNICOS

CLASIFICACIÓN


Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son:

Los minerales El cemento La cerámica El vidrio El grafito (carbón mineral)

ContenidoMATERIALES INORGÁNICOS

CLASIFICACIÓN


Cuando las moléculas que componen un sólido están acomodadas regularmente, decimos que forman un cristal, y al sólido correspondiente le llamamos sólido cristalino o fase.

La estructura espacial de un sólido cristalino se construye a partir de una unidad repetitiva o celda unidad.

ContenidoCRISTALES


En los vértices de estas celdas unidad se sitúan los átomos. La repetición de las celdas en el espacio da lugar a las llamadas redes cristalinas simples.

También existe la posibilidad de situar átomos en los centros de las celdas (red cristalina centrada) o de las caras (red cristalina de caras centradas).

ContenidoCRISTALES


Las estructuras cristalinas no son perfectas. En los metales se encuentran impurezas que influyen sobre el proceso de cristalización y que deforman la red espacial del cristal.

ContenidoCRISTALES


Imperfecciones

Puntuales

Lineales

Superficiales

CONSECUENCIAS

IMPERFECCIONES

PUNTUALES Debidas a átomos del mismo o de otro metal situados en un punto que no pertenece a la red (átomos intersticiales), o a lugares vacantes, que son puntos de la red vacíos.

LINEALES Denominadas también dislocaciones, que disminuyen la resistencia mecánica de los metales. Estas imperfecciones son las causantes de la deformación plástica en los metales.

SUPERFICIALES La estructura de un metal o aleación está compuesta por múltiples zonas ordenadas, dispuestas de tal forma que sus ejes cristalográficos respectivos no coinciden entre sí. A estas zonas se las denomina cristales o granos, y a la zona límite entre dos de ellos (imperfección a nivel superficial) se le conoce como junta de grano.

ContenidoCRISTALES


CONSECUENCIAS

Los metales, cuando están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser reconocidas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X.

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


METALES


Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trate del mismo material, así por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas:

• La malla cúbica de cuerpo centrado.

• La malla cúbica de cara centrada.

• La malla hexagonal compacta.


METALES


Estructura Cristalina Cúbica Centrada en las Caras FCC (Face-Centered Cubic)

Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo BCC (Body-Centered Cubic)

Estructura Cristalina Hexagonal Compacta HCP (Hexagonal Close Packing)


TABLA PERIÓDICA DE ESTRUCTURASDE METALES


Los materiales metálicos tienden a ordenarse de forma más compacta, de 3 maneras:

Cúbica centrada en el interior:

Tiene átomos en cada uno de los vértices del cubo que integra a su estructura y un átomo en el centro. Se encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno y el wolframio.


METALES


http://www.minerva.unito.it/Chimica&Industria/SistemaPeriodico/Immagini/Molibdeno/Molibdenite.gif

Cúbica centrada en las caras

Tiene átomos en los vértices y en cada una de sus caras, su cambio es notado además de por los rayos X, por la modificación de sus propiedades eléctricas, por la absorción de calor y por las distancias intermoleculares.

A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta estructura de malla.

Al Ag Cu Au Ni Pb Pt


METALES


Hexagonal compacta

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


METALES


Tienen una estructura hexagonal, los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que dan a los materiales distintas propiedades.

Por ejemplo, de todos son conocidas las distintas apariencias y propiedades del elemento químico Carbono, que se presenta en la Naturaleza en dos formas cristalinas muy diferentes, el diamante y el grafito.

Diamante (carbono puro)

Grafito (carbono puro)

Formas alotrópicas del Carbono en la naturaleza


NO METALES


El grafito es negro, blando y un lubricante excelente, lo que sugiere que sus átomos deben estar distribuidos (empaquetados) de un modo que puedan entenderse sus propiedades.

Sin embargo, el diamante es transparente y muy duro, por lo que debe esperarse que sus átomos estén muy fijamente unidos. En efecto, sus estructuras sub-microscópicas (a nivel atómico) dan cuenta de sus diferencias.

Diamante, con estructura muy compacta

Grafito, con estructura atómica en láminas


NO METALES


Formas alotrópicas del oxigeno

Por ejemplo, se puede encontrar en forma atómica.

En la naturaleza, en forma de gas el O2 forma parte del aire que respiramos.

El (O3), es altamente oxidante debido a la inestabilidad de su estructura molecular, y es tóxico a concentraciones elevadas. Puede tener efectos corrosivos sobre materiales y, a determinadas concentraciones, efectos irritantes sobre las mucosas de los seres vivos.

Aunque resulten ser el mismo

elemento, tienen características

diferentes debido a su estructura

molecular.


NO METALES


El boro es un elemento metaloide, semiconductor, trivalente que existe abundantemente en el mineral bórax.

El boro presenta multitud de formas alotrópicas que tienen como elemento estructural común un icosaedro regular.

El elemento químico puede adoptar una gran variedad de estructuras diferentes que son, además, extremadamente sensibles a la presencia de pequeñas cantidades de impurezas químicas.


METALOIDES


La ordenación de los icosaedros puede ser de dos formas distintas:

• Unión de 2 icosaedros por 2 vértices, mediante enlaces covalentes normales (figura 1).

• Unión de 3 icosaedros por 3 vértices, mediante un enlace de tres centros con dos electrones (figura 2).


METALOIDES


Figura 1

Figura 2

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Estructuraboro2.GIF

ContenidoALEACIONES

REGLAS DE HUME-ROTHERY


ContenidoALEACIONES

REGLAS DE HUME-ROTERY


Titanio Níquel

ContenidoMAT. ORGÁNICOS


Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es en los llamados materiales orgánicos, en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.

En las proteínas también existen unidades moleculares como en los materiales orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son también similares, pero su empaquetamiento en los cristales deja muchos huecos que se rellenan con agua no ordenada y de ahí su extrema inestabilidad.

ESTRUCTURA

Estructura cristalina de un material orgánico: cinnamida

ContenidoMAT. INORGÁNICOS


ESTRUCTURA

En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza (cristales iónicos, fundamentalmente).

Estructura cristalina de un material inorgánico: el alfa-cuarzo

Los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que confieren a los cristales (a los materiales) distintas propiedades.


PROPIEDADES DE

LOS MATERIALES

Propiedades Mecánicas

Dureza Tenacidad /Fragilidad

Elasticidad /

Plasticidad

Resistencia

mecánica

ContenidoPROPIEDADES


MECÁNICAS



MECÁNICAS

Dureza: Un material es duro o blando dependiendo de si otros materiales pueden rayarlo.

Tenacidad/Fragilidad: Un material es tenaz si aguanta los golpes sin romperse; es frágil, si cuando le damos un golpe se rompe.

Elasticidad/Plasticidad: Un material es elástico cuando, al aplicarle una fuerza se estira, y al retirarla vuelve a la posición inicial. Un material es plástico cuando al retirarle la fuerza continua deformado.

Resistencia mecánica: Un material tiene resistencia mecánica cuando soporta esfuerzos sin romperse.

Propiedades Térmicas

Conductividad térmica Dilatación Temperatura de fusión



TÉRMICAS

Conductividad térmica: Es la facilidad que presenta un material para conducir el calor.

Dilatación térmica: Es el aumento de volumen que experimentan los cuerpos cuando se calientan.

Temperatura de fusión: Es la temperatura a la que un material pasa del estado sólido al líquido.



TÉRMICAS

PropiedadesQuímicas

Resistencia a la corrosión



QUÍMICAS

Resistencia a la corrosión: Es la resistencia que opone un material a ser oxidado.



QUÍMICAS

PropiedadesEléctricas

Resistenciaeléctrica



ELÉCTRICAS

• Resistencia eléctrica: Mide el grado de oposición de un material a ser atravesado por la corriente eléctrica. Un material tiene una alta resistencia cuando presenta gran oposición a ser atravesado por una corriente eléctrica.

A los materiales con resistencia eléctrica alta los llamamos aislantes; mientras que a los materiales con una resistencia eléctrica bajo los llamamos conductores.



ELÉCTRICAS

Propiedades Magnéticas

Sermagnético

Magnetismotemporal o permanente



MAGNÉTICAS

• Propiedades magnéticas: Los materiales que pueden ser atraídos por un imán, son los que poseen propiedades magnéticas.

• Magnetismo temporal y permanente: Cuando se hace pasar una corriente eléctrica por una bobina de hilo conductor, esta se convierte en un imán. Si dentro de la bobina colocamos una barra de acero, esta se magnetiza permanentemente, pero si la barra es de hierro dulce, solo se magnetizará mientras esta circulando la corriente por la bobina.

Los materiales diamagnéticos son ligeramente repelidos por los imanes, ya que generan un campo magnético opuesto al que reciben. Los materiales paramagnéticos, sin embargo, generan un campo del mismo sentido que el que reciben y son atraídos por los imanes.



MAGNÉTICAS

Conclusión


Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. La producción de nuevos materiales y el procesado de éstos hasta convertirlos en productos acabados , constituyen una parte importante de nuestra economía actual.

Los objetos que nos rodean están fabricados con una gran variedad de materiales y con un fin en específico, por lo que podemos clasificarlos de diferentes formas; sin embargo, el criterio más adecuado para clasificar materiales es por sus propiedades.

Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. Las diferentes estructuras en los materiales determinan muchas de sus características y propiedades.

Conclusión


Las propiedades son un conjunto de características diferentes para cada cuerpo o grupo de cuerpos, las cuales ponen de manifiesto tanto sus cualidades como su forma de comportamiento.

Bibliografía


Prof. Ronald Márquez, Materiales de Ingeniería Química, Escuela de Ing. Química, Universidad de los Andes, URL: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/marquezronald/wp-content/uploads/2009/08/1_Introduccion-a-los-Materiales.pdf

Suleyra Cornelio Aquino, Bibiana Hdez. Hdez., Estado y Propiedad de los Materiales, Universidad Tecnológica de Tabasco, URL: http://issuu.com/bibillana/docs/estado_y_propiedad_de_los_materiales

Leoncio Venteo, Propiedades de los materiales, Asociación de Profesores de Tecnología, URL: http://roble.pntic.mec.es/~lventeo/Temas/Propiedades/Propiedades.html

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http://issuu.com/bibillana/docs/estado_y_propiedad_de_los_materiales

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http://roble.pntic.mec.es/~lventeo/Temas/Propiedades/Propiedades.html

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Bibliografía


Prof. Miguel Pérez Agustí, Introducción, clasificación de los materiales y propiedades, Universidad de Sevilla, URL: estudiantesingenieria.es/apuntes/MaterialesQuimicos/ Tema 1 Introducción, Clasificacion Materiales y Propiedades.ppt

Aguirre Dávila Karen Alicia, Gutiérrez García Jezareli et al, Estructura de los Materiales Puros, Grupo de Ing. Industrial, URL: http://www.slideshare.net/izzy58/estructura-de-los-materiales-puros

http://www.slideshare.net/izzy58/estructura-de-los-materiales-puros

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