Física del estado sólido

Enlaces atómicos y moleculares• Clasificación de los materiales de ingeniería•

INDICE

1.− Introducción

2.−Enlaces químicos y moleculares

Fuerzas y energía de enlace

Tipos de enlace

Enlace iónico• Enlace covalente• Enlace metálico• Enlace secundario o de van der Waals•

3.− clasificación de los materiales de ingeniería

Historia de los materiales y su clasificación

La estructura de los materiales

Tipos de materiales

Propiedades mecánicas y físicas de los materiales

Densidad• Punto de fusión• Temperatura de transición vítrea• Coeficiente de expansión térmica lineal• Conductividad térmica• Esfuerzo• Deformación• Ductilidad• Mecánica de la fractura y tenacidad a la fractura• Fatiga• Termofluencia•

Comportamiento eléctrico y conductividad de los materiales

Clasificación de los materiales

Materiales metálicos• Polímeros• Materiales compuestos• Semiconductores•

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4.− bibliografía

INTRODUCCIÓN:

El átomo es la entidad más pequeña que influye directamente en las propiedades de los materiales. En estetrabajo se repasara de qué manera podemos inferir de inmediato algunas de las características químicas yformación de enlaces de los elementos. Estas características determinan y tipo y la fuerza de los enlaces que elelemento puede formar con los átomos (elementos). El tipo y la fuerza del enlace determinan las propiedadesfísicas y mecánicas del material sólido que se forma.

ENLACES QUIMICOS Y MOLECULARES

Fuerzas y energía de enlace

Cuando se forman enlaces entre átomos existe afinidad química entre estos. Cuando no hay afinidad química,los átomos no se unen, cada uno de ellos está bien separado de los demás, y los elementos son gaseosos atemperaturas y presiones ordinarias. Cuando hay afinidad química, existe una fuerza de atracciónelectroestática (coulómbica)positiva de largo alcance, FA, que acerca mucho los átomo unos a otros. Esto semuestra en la figura 1, donde la atracción ocurre entre el núcleo de un átomo (N1) y los electrones e2 del otroátomo N2. Cuando los átomos están muy próximos entre si, se manifiesta una fuerza de repulsión negativa,FR, cuyo origen es le repulsión mutua de los electrones, e1 y e2. La fuerza de enlace total, FB, es la suma delas fuerzas de atracción y repulsión; es decir,

FB = FA + FR

e1 e2

Fuerza de atracción de largo alcance entre cargas

Positivas (núcleos) y cargas negativas (electrones)

Fuerza de repulsión de corto alcance entre

Cargas del mismo signo (electrones − electrones)

Fig. 1. Esquema de dos átomos separados, donde se indican las fuerzas de atracción y de repulsión

Se acostumbra utilizar la energía, en vez de la fuerza, para analizar los enlaces entre átomos.

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Fig. 2. Curva de energía de enlace

Tipos de enlace

Enlace iónico•

El enlace iónico (o enlazamiento iónico) es el resultado de trasferencia de electrones (o paso de electrones) deun átomo a otro. El enlace iónico se forma entre un átomo electropositivo y uno electronegativo. El átomoelectropositivo cede sus electrones y el átomo electronegativo los acepta. Como resultado de este proceso seforman iones positivos (con valencia +n1) y negativos (con valencia − n2) con configuraciones de capacerrada. En estas condiciones, los iones con cargas +n1 y − n2 experimentan atracción mutua. La fuerza derepulsión se manifiesta cuando las configuraciones electrónicas de capa cerrada iónica comienzan atraslaparse.

En el contexto de la mecánica cuántica, los electrones de valencia pertenecientes originalmente a los átomosneutros se comparten entre los dos átomos que constituyen la molécula. Los electrones se comparten de talmanera que la densidad de probabilidad de los electrones en un volumen pequeño, en un punto del espacio yen un momento dado, es mayor en torno al átomo electronegativo y, por tanto, este átomo adquiere la carganegativa (como en la figura 3). Esta es la base de una propiedad cualitativa que lo químicos denominanelectronegatividad. Para que la energía de atracción sea máxima y la energía de repulsión sea mínima, losvecinos inmediatos de un ion positivo (catión) deben ser iones negativos (aniones), y viceversa. Existe ciertalibertad en cuanto al empaquetamiento de los iones unos alrededor de otros; por consiguiente, el enlace iónicocarece de direccionalidad. No obstante, es necesario equilibrar las cargas positivas y negativas, tanto entérminos locales y macroscópicos; en consecuencia, los electrones se localizan en el átomo electronegativo.Puesto que los electrones están localizados, la conductividad de los materiales iónicos es relativamente mala.Para que exista conductividad, los iones deben moverse con el campo eléctrico; pero, debido a que sonpesados, se mueven con gran lentitud y son, por lo tanto, malos conductores térmicos y eléctricos atemperaturas bajas. La energía de enlace como consecuencia de la formación de enlaces iónicos es

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relativamente grande y, por ende, cabría esperar que los materiales fueran de alto punto de fusión. Loscerámicos son ejemplos de materiales con enlaces iónicos y se utilizan con gran eficacia para soportarambientes de alta temperatura y como aisladores y dieléctricos, pero son muy frágiles a causa de la naturalezalocalizada del enlace.

Fig. 3. Enlace iónico entre los átomos de cloro y sodio. La trasferencia de electrones de Na hasta Cl genera uncatión (Na+) y una anión (Cl−). El enlace iónico se debe a la atracción coulómbica entre los iones de cargaopuesta.

Enlace covalente•

El enlace iónico no es direccional. En oposición al el enlace covalente que es una naturaleza altamentedireccional. El nombre covalente se deriva de la distribución compartida, cooperativa, de electrones devalencia entre dos átomos adyacentes. Una particularidad importante de estos enlaces es que se pueden formarentre átomos del mismo tipo, entre los cuales puede haber muy poca o ninguna formación de enlaces iónicos,el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muypróximos en la tabla periódica, generalmente se comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, demodo que alcanza la configuración electrónica de gas noble. En un enlace covalente sencillo, cada uno de losdos átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones del enlace, y las energías de losdos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas estables) como consecuencia de lainteracción de los electrones. En el enlace covalente, se pueden formar múltiples pares de electrones por unátomo consigo mismo o con otros átomos. En los enlaces covalentes puros los electrones de un átomocomparten los estados cuánticos disponibles y son compartidos entre los núcleos para formar unaconfiguración de capa cerrada.

El ejemplo clásico de enlace covalente es, desde luego, la molécula de hidrogeno. Recordemos que cadaátomo de hidrógeno tiene un estado energético vacío disponible en el estado cuántico 1s1. Los dos electrones(con espines opuestos) de los átomos de hidrógeno de la molécula H2 ocupan el estado cuántico 1s para dar laconfiguración de capa cerrada 1s2, que es la configuración de átomo de helio. Cada uno de los átomos dehidrógeno comparte esta configuración, y se dice han formado enlaces por saturación entre los dos átomos.Como tal, la energía de enlace entre los átomos de hidrógeno es muy grande, pero no hay mas enlaces fuertesdisponibles para otras moléculas de H2, como se ilustra en la figura 4.

Fig. 4. El enlace covalente entre dos átomos de H agota el estado cuántico disponible y produce unenlazamiento saturado y un enlace intramolecular muy fuerte, pero una atracción intermolecular muy débilentre dos moléculas.

Enlace Metálico•

Un tercer tipo de enlace atómico es el enlace metálico, que se presenta en los metales sólidos. En metales enestado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos es una ordenaciónsistemática o estructura cristalina.

El enlace metálico es consecuencia de la facilidad de disociación de los metales en iones positivos yelectrones libres. Hay muchos estados cuánticos disponibles en los metales, todos los cuales no pueden serocupados por electrones cuando los átomos se acercan unos a otros. Por consiguiente, los metales tienenenlazamiento no saturado y se componen de un gran número de átomos (una macromolécula). Los electronesliberados se desplazan con facilidad de los orbítales de un átomo a los del otro y ya no esta confinados a unpar de átomos; elementalmente, son como un fluido. Es por esto que, por lo común, se representa a losmetales como un gran agregado de centros iónicos positivos inmersos en una nube o mar de electrones comoen la figura 5. Esta es la clásica y simple teoría de los electrones libres de los metales, para distinguir losmetales de los no metales, explica las conductividades eléctricas y térmicas extraordinariamente buenas de los

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metales, también explica la opacidad óptica y la reflectividad. La oscilación de los electrones libre absorbe laenergía de la luz incidente en todas las longitudes de onda, y por tanto, hace que el metal sea opaco. Por otraparte, los electrones oscilantes también emiten ondas luminosas (fotones) y confieren reflectividad al metal.

El enlazamiento insaturado en los metales también explica el empaque compacto de sus átomos, suspropiedades de formación de aleaciones y las propiedades mecánicas sobresalientes de tenacidad y ductilidadcon suficiente resistencia mecánica.

Puesto que los electrones no esta confinados como ya se menciono al principio, es posible separar los centrosiónicos positivos unos de otros cierta distancia, lo que confiere a los metales buena ductilidad, antes que losenlaces con los electrones se rompan. Esto contrata con la fragilidad de los materiales con enlaces iónicos ocovalentes, donde es necesario romper enlaces para separar los núcleos que comparten la unión. La propiedadde ductilidad permite deformar los metales fácilmente para darles diversas formas. Si a esto aunamos esto auna resistencia y tenacidad suficientes, no es de sorprender que los metales sean los materiales dominantes enlas aplicaciones de ingeniería.

Fig. 5. El enlace metálico se compone de centros iónicos positivos inmersos en un mar o nube de electrones.

Enlace secundario o de van der Waals.•

La principal causa de cohesión dentro de determinado material técnico es uno o varios de los tresenlazamientos que se describieron anteriormente. El enlace van der Waals es una fuerza débil de atracción quepuede existir entre los átomos y las moléculas. A este enlace se debe la condensación de los gases nobles y delas moléculas con enlaces químicamente para formar líquidos y sólidos a temperaturas bajas. El mecanismo deenlazamiento secundario es algo semejante al iónico, esto es, por atracción de cargas opuestas. La diferenciaclave es que no se transfieren electrones. La atracción depende de las distribuciones asimétricas de cargapositiva y negativa dentro de cada unidad atómica o molecular que se enlaza. Esta asimetría de carga se llamadipolo. El enlazamiento secundario puede ser de dos tipos, según los dipolos sean:

1.− Temporales

2.− Permanentes

La figura 6 muestra como dos átomos neutros pueden desarrollar una fuerza débil de enlazamiento entre ellos,a causa de una ligera distorsión de sus distribuciones de carga.

Fig. 6. Desarrollo de dipolos inducidos en átomos adyacentes de argon llevando a un enlace secundario débil.El grado de distorsión de carga, que se muestra, se exagera en gran medida.

El momento de un dipolo eléctrico se crea cuando dos cargas iguales y opuestas se separan. Los dipolos en losátomos o en las moléculas crean momentos dipolares. Un momento dipolar se define como el valor de la cargamultiplicado por la distancia de separación entre cargas positiva o negativa, o

µ = qd

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donde µ = momento dipolar

q = magnitud de la carga eléctrica

d = distancia de separación entre los centros de las cargas

Los momentos dipolares en átomos y moléculas se miden en Culombio − metro (C · m) o en debyes, donde undebyes = 3.34 · 10−10 C · m.

Las moléculas compuestas de dos o más átomos diferentes, se pueden crear dipolos permanentes entre losátomos en virtud de sus diferencias de electronegatividad. El átomo mas electronegativo atrae el electrónhacia si y lo aleja del elemento menos electronegativo; se forma una molécula polar con dipolo permanente,en la que el segundo átomo tiene carga positiva y el primero, carga negativa. Un buen ejemplo de esto son lospuentes de hidrógeno que unen a las moléculas polares de agua y mantienen esta sustancia en forma liquida atemperatura ambiente. Los dipolos se componen de los átomos de O con carga negativa y a los átomos de Hcon carga positiva. El puente de hidrógeno es el enlace entre los átomos de hidrógeno de una molécula deagua y átomos de oxigeno negativos de otras moléculas de agua como se muestra en la figura 7.

Los puentes de hidrógeno son también el mecanismo mediante el cual las cadenas macromoleculares de lospolímeros se mantienen unidas. La baja resistencia a la cedencia y los reducidos módulos de los polímeros(plásticos) se explican en virtud de los débiles puentes de hidrógeno y enlaces de van der Waals que serompen con facilidad cuando se someten los polímeros a esfuerzos.

Fig. 7. Enlaces intermoleculares de van der Waals entre a) cadenas poliméricas b) moléculas de agua

Enlaces Mixtos•

El enlace químico de átomos o iones puede involucrar más de un tipo de enlace primario y también enlacesdipolares secundarios. Para el enlace primario existen las siguientes combinaciones de tipos de enlace mixto:

Iónico − covalente♦ Metálico − covalente♦ Metálico − iónico♦ Iónico − covalente − metálico♦

1.− Enlace mixto iónico − covalente: La mayoría de las moléculas con enlaces covalentes poseen algo deenlace iónico y viceversa. El carácter iónico parcial de los enlaces covalentes se pude interpretar en términosde la escala de electronegatividades. Cuanto mayor es la diferencia en las electronegatividades de loselementos involucrados en un enlace iónico − covalente, mayor es el grado de carácter iónico del enlace. Elgrado de carácter iónico en el enlace crece a medida que lo hace la diferencia de electronegatividades entre losátomos del compuesto.

2.− Enlace mixto metálico − covalente: Se presenta frecuentemente, por ejemplo, los metales de transicióntienen enlace metálico − covalente mixto que involucra orbítales enlazantes dsp. Los altos puntos de fusión delos metales de transición son atribuidos al enlace mixto metálico − covalente. También en el grupo 4A de latabla periódica hay una transición gradual desde el enlace covalente puro en el carbono (diamante) a algúncarácter metálico en el silicio y germanio para terminar, en estaño y plomo, con un enlace primordialmentemetálico.

3.− Enlace mixto metálico − iónico: si se da una diferencia significativa de electronegatividad en loselementos que forman parte del enlace intermetalico, puede ser que exista una cantidad significativa detransferencia electrónica (enlace iónico) en el compuesto. Así pues, algunos compuestos intermetalicos son

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buenos de enlace mixto metálico − iónico.

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES DE INGENIERIA

Historia de los materiales y su clasificación

Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto .Desde el comienzo de lacivilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel devida. Como los productos están fabricados a base de materiales, estos se encuentran en cualquier partealrededor nuestro. Los mas comúnmente encontrados son madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio,caucho, aluminio, cobre y papel. Existen muchos mas tipos de materiales y uno solo tiene que mirar a sualrededor para darse cuenta de ello. Debido al progreso de los programas de investigación y desarrollo, seestán creando continuamente nuevos materiales. La producción de nuevos materiales y el procesado de estoshasta convertirlos en productos acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Losingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios para su fabricación.Puesto que la producción necesita materiales, los ingenieros deben conocer de la estructura interna ypropiedad de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el mas adecuado para cada aplicación ytambién capaces de desarrollar los mejores métodos de procesado.

Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos materiales o para modificar laspropiedades de los ya existentes. Los ingenieros de diseño usan los materiales ya existentes, los modificados olos nuevos para diseñar o crear nuevos productos y sistemas . Algunas veces el problema surge de modoinverso: los ingenieros de diseño tienen dificultades en un diseño y requieren que sea creado un nuevomaterial por parte de los científicos investigadores e ingenieros. La búsqueda de nuevos materiales progresacontinuamente. Por ejemplo los ingenieros mecánicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo quelos motores de reacción puedan funcionar más eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran encontrarnuevos materiales para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades ytemperaturas.

Fig. 8. Este diagrama muestra como la ciencia e ingeniería en materiales forma un puente que une las cienciasbásicas con las disciplinas de la ingeniería.

La estructura de los materiales

El termino estructura significa una descripción del arreglo atómico, vistos con distintos grados de detalle. Loscientíficos y los ingenieros en materiales no solo tienen que ver con el desarrollo de materiales, sino tambiéncon la síntesis y el procesamiento de materiales con los procesos de fabricación correspondientes a laproducción de los componentes. El termino síntesis indica la manera de fabricar los materiales a partir deelementos naturales o hechos por el hombre. El termino procesamiento indica el modo en que se conformanlos materiales en componentes útiles y para causar cambios en las propiedades de distintos materiales. Una delas funciones más importantes de los científicos e ingenieros en materiales es establecer las relaciones entre lapropiedad y el funcionamiento de un material. En la ciencia de los materiales se subrayan las relacionessubyacentes entre la síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales.

La estructura de los materiales se puede examinar en cinco niveles diferentes:

Macroestructura.− entre las propiedades que la constituyen esta la porosidad, recubrimientos superficiales ylas microgrietas internas o externas.

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Microestructura.− comprende propiedades de tamaños micro y otras propiedades relacionadas con losdefectos de los materiales

•

Nanoestructura• Estructura atomica.− enlaces.•

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Tipos de materiales

Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en grupos principales:materiales metálicos, poliméricos, cerámicos. Se diferencian de acuerdo a algunas de sus propiedadesmecánicas, eléctricas y físicas más importantes. Además de estos grupos, debemos considerar dos tipos más,materiales compuestos y semiconductores, debido a su gran importancia en ingeniería.

Los materiales de cada uno de estos grupos poseen distintas estructuras y propiedades. Los materiales tienenun amplio margen de propiedades de donde pueden seleccionar los ingenieros. Como los materiales metálicosse unas mucho en aplicaciones de carga dinámica, sus propiedades mecánicas son de gran interés practico.Aquí hay una descripción en forma breve. El termino esfuerzo indica una carga o una fuerza por unidad deárea. Deformación se refiere al alargamiento o a un cambio de dimensión. Todos estos conceptos y algunosmás se describirán en seguida

Propiedades Mecánicas y físicas de los materiales

Densidad•

La densidad es una de las propiedades más importantes de los materiales porque determina el peso de laestructura o componente. Básicamente, la densidad de un sólido depende de tres factores: la masa atómicamedia de sus átomos o iones, su tamaño atómico o iónico y su estructura cristalina (la manera en como estánempaquetados). La diversidad de densidades de los materiales surge principalmente de la masa atómica y dela fracción volumétrica de empaquetamiento. Los metales son densos porque se componen de átomos pesadosy su empaquetamiento es más o menos compacto. Los polímeros tienen baja densidad porque consiste deátomos ligeros, principalmente carbono e hidrógeno, en una red lineal bi o tridimensional, empaquetados demanera laxa. Los cerámicos son de baja densidad porque contienen átomos de C, O ó N, y también tienenfracciones de empaquetamiento mas pequeñas que las de los metales.

Punto de fusión•

La energía de enlace de los átomos es directamente proporcional al punto de fusión del material. Estapropiedad se convierte en un factor cuando se contempla el uso de materiales en ambientes de altatemperatura, como los que se dan en los motores de combustión. Sin embargo, una temperatura alta para unmaterial puede ser relativamente baja para otro material en virtud de diferencias en los puntos de fusión. Engeneral, todas las propiedades varían con la temperatura. Si un material esta sometido a esfuerzos, lapropiedad principal de interés es la termofluencia, que es el cambio lento de las dimensiones de dimensionesde un material que soporta una carga cuando la razón antes citada es mayor que la temperatura ambiente. Porconsiguiente, uno de los factores que deben tomarse en cuenta en el diseño es el punto de fusión de losmateriales, en especial para aplicaciones a altas temperaturas. Un ejemplo de esta propiedad son los cerámicosque debido a sus altos puntos de fusión se utilizan para motores de combustión, tanto para vehículos terrestres(automóviles) como en vehículos espaciales.

Temperatura de transición vítrea•

La temperatura de transición vítrea es una propiedad de los materiales no cristalinos o amorfos. El término detemperatura de transición vítrea tuvo su origen en los materiales cerámicos, específicamente en la sílice,donde el silicato amorfo recibe el nombre de vidrio. Este nombre se hizo extensivo primero a los polímeros, yahora a los metales amorfos. Las temperaturas de transición vítrea de los polímeros son relativamente bajas,de tal manera que, incluso a temperatura ambiente, el diseño con plásticos o polímeros implica efectos determofluencia de largo plazo.

Coeficiente de expansión térmica lineal•

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El coeficiente de expansión térmica lineal (CETL), al igual que el punto de fusión, también puede relacionarsecualitativamente con la energía de enlace. En el diseño, los ingenieros civiles toman en cuanta el CETLincorporando juntas de expansión en estructuras tales como puentes. En los materiales compuestos esnecesario armonizar con gran precisión los CETL, a fin de reducir el riesgo de deslaminacion en lassuperficies de contacto entre los componentes debido a los esfuerzos térmicos inducidos por los ciclostérmicos. Esto reviste una importancia especial en la industria de semiconductores.

Conductividad térmica•

En la conducción de calor, la conductividad térmica es la propiedad análoga a la conductividad eléctrica.Cuando se impone un gradiente de temperatura a un material el flujo especifico de calor por unidad de área ypor unidad de tiempo es donde la conductividad térmica esta en watts por metro por kelvin, es decirW(mK)−1. En las cerámicas y en los polímeros la conducción térmica está a cargo de los fotones ovibraciones reticulares, la rapidez elástica de las ondas, la densidad y el calor especifico volumétrico. Estefenómeno se presenta en monocristales de diamante, carburo de silicio e incluso alúmina, estos tienenconductividades térmicas tan elevadas como el cobre. En cambio la baja conductividad térmica del vidrio sedebe a su estructura amorfa irregular.

Los mejores aisladores térmicos son materiales muy porosos como los ladrillos refractarios, el corcho y lasespumas. Su conductividad esta limitada por la fase gaseosa en el interior de sus celdas y por la transferenciade calor por radiación a través de las paredes transparentes de las celdas. El sistema de protección térmica(SPT) del trasbordador espacial de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) de EstadosUnidos es de sílice porosa.

Esfuerzo•

En la figura 9, si una fuerza F%, aplicada en dirección normal a la seccion transversal de una barra, se divideentre la sección transversal A (área), se obtiene un termino normalizado que se llama esfuerzo (�); por tanto,

� " F% / A

Esto da a la intensidad de la fuerza que el material experimenta, como se ilustra en las figuras 9a) y 9b), dondese aplica la misma fuerza normal a dos materiales con secciones transversales A1 y A2, con A2 > A1. Aunquela fuerza es la misma, la intensidad (esfuerzo) de la fuerza en A1 es mayor que en A2. Cuando el esfuerzoalarga los filamentos de un material, se le denomina esfuerzo de tensión. Cuando el esfuerzo oprime losfilamentos de un material para acortarlos como en la figura 9b), se le llama esfuerzo de compresión. Porconvención, el esfuerzo de tensión se toma como positivo, en tanto que el esfuerzo de compresión es negativo.Ambos esfuerzos se describen como esfuerzos normales porque las fuerzas actúan en dirección perpendicularal área.

Existe otro tipo de esfuerzo que se produce cuando la fuerza actúa en dirección paralela a la superficie o área.Esto se conoce como esfuerzo cortante, �, y se muestra en la figura 10.

En general, el esfuerzo sobre un cuerpo no es normal ni paralelo a la superficie. En este caso, la fuerza queejerce sobre un cuerpo se resuelve en fuerzas normal (perpendicular) y paralela a la superficie para obtener losesfuerzos normal y cortante como se ilustra en la figura 11.

Un ejemplo de esto son los elementos superficiales de un reactor químico o de una tubería que transportafluidos a presión.

Deformación•

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De acuerdo con el estado de esfuerzo, el material se deforma (cambia de forma) en consecuencia. Un esfuerzode tensión induce al material a alargarse en dirección paralela, y a contraerse lateralmente a lo largo de unadirección perpendicular a la misma fuerza. También en este caso, la elongación y la contracción se normalizandividiéndolas entre las dimensiones originales paralela (longitud) y perpendicular (anchura) a la fuerza detensión. Las cantidades normalizadas se conocen como deformaciones, y la deformación paralela a la fuerzase denomina deformación longitudinal o por tensión, en tanto que la deformación perpendicular recibe elnombre de deformación lateral. La mayoría de los diseños de ingeniería se basan en esta relación lineal entreel esfuerzo y la deformación.

Ductilidad•

La ductilidad es la propiedad de un material que permite impartirle diferentes formas sin que se rompa. Unmaterial que puede hacer esto, se dice que es dúctil, en tanto que un material que no cambia de forma o lohace con dificultad o se rompe es frágil o quebradizo. Por lo que toca a consideraciones de diseño, laductilidad influye directamente en la tenacidad a la fractura y en la capacidad de fabricar un componente: unmaterial dúctil tiene mayor tenacidad a la fractura que un material frágil. Por otra parte, la selección de unmaterial para aplicaciones de ingeniería depende de modo importante de su capacidad para recibir la forma delcomponente o producto deseado. Esto explica la importancia y el uso en ingeniería de los metales encomparación con los cerámicos, porque los metales se comportan mejor en la producción en masa que lascerámicas.

Mecánica de fractura y tenacidad a la fractura•

La mecánica de fractura es el campo de la mecanica que se ocupa principalmente de estudio de lapropagación de grietas de un material. Se trata de un campo relativamente nuevo pues apenas se creo durantey después de la segunda guerra mundial para explicar la ruptura de muchas naves mercantes y barcos. Laaplicación de la mecánica de fractura se a expandido ahora a muchos campos, y donde resulta mas critica esen las estructuras aeroespaciales. La permisa fundamental para el uso de la mecánica de fractura en el diseñoes el supuesto de que los materiales tienen defectos o grietas. La propiedad de los materiales que se opone ala propagación de esas grietas es la tenacidad a la fractura.

La propiedad de tenacidad a la fractura es análoga a la propiedad a la cedencia. En el ensayo de tensión, elmaterial soporta un esfuerzo aplicado excede el esfuerzo de fluencia. Si se utiliza el esfuerzo de fluencia comocriterio de falla, el material falla una vez que el nivel de esfuerzo sobrepasa el esfuerzo de fluencia delmaterial. En presencia de una grieta en el material, el esfuerzo global aplicado en dirección opuesta a la grietase intensifica o incrementa en el extremo de la grieta

Fatiga•

Los componentes de maquinas, vehículos y estructuras suelen verse sometidos a cargas cíclicas repetidas, ylos esfuerzos cíclicos reducen daños a los materiales de construcción. Estos daños, que se producen sobre todoa esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de fluencia, se acumulan con la aplicación continua hasta que secomienzan a formar grietas que se propagan y terminan por fracturar el material. Esta falla de los materialeses a causa de esfuerzos y deformaciones cíclicas repetidas se denomina fatiga. Debido a que los esfuerzos ydeformaciones cíclicas se aplican de manera continua y a ritmos elevados.

Termofluencia•

En ciertas aplicaciones, como turbinas de vapor en plantas termoeléctricas, motores de aviones a reacción ycohetes, hornos de fundición y reactores nucleares, los materiales esta expuestos a temperaturasextremadamente altas. La termofluencia es el movimiento de los átomos que inducen una deformación muylenta, si el material esta expuesto a esfuerzos. Esta deformación termina por causar problemas dimencionales

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a la estructura o componente, los cuales provocan mal funcionamiento o falla. Si permanece sometido aesfuerzos, a temperaturas altas, el material se romperá y fracturara finalmente.

Comportamiento eléctrico y conductividad

Las propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico que en muchas ocasiones esmás crítico que su comportamiento mecánico− y describen también su comportamiento dieléctrico, que espropio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica y no solo aquellos que proporcionanaislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga eléctrica (por deficiencia o exceso de los mismos)e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante. En los compuestosiónicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. Adicional a esto lafacilidad de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atómicos, las dislocaciones a nivelcristalino, es decir, de su micro−estructura, y de las velocidades de difusión (compuestos iónicos). Para esto esnecesario antes especificar que el comportamiento eléctrico de cualquier material, el cual se deriva a partir depropiedades como la conductividad eléctrica. Por eso la conductividad eléctrica abarca un gran rangodependiente del tipo de material. Los electrones son precisamente los portadores de la carga en los materialesconductores (como los metales), semiconductores y muchos aislantes.

Clasificación de los materiales

Materiales metálicos.

Incluyen aceros, aluminio, magnesio, zinc, hierro colado, titanio, cobre y níquel. En general los metales,tienen buena conductividad eléctrica y térmica. Los metales y aleaciones tienen una resistencia relativamentealta, gran rigidez ductilidad o formabilidad y buena resistencia a los choques térmicos. Tienen utilidadespecial en aplicaciones estructurales o bajo cargas dinámicas. Aunque a veces se utilizan metales puros, lasmezclas de metales llamadas aleaciones permiten mejorar determinadas propiedades o mejores combinaciónde propiedades. El corte del pistón ilustra el uso de materiales metálicos (figura 12).

Polímeros

La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadaspolímeros.

Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómerosque forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones.Algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.

Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas.La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel.La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína delpelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son tambiénpolímeros naturales importantes.

Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos conpropiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos pormoléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelenteresistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracciónintermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden clasificarse de varias formas.Una manera de clasificar a los polímeros es establecer si se trata de un polímero lineal o de polímero

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ramificado (figura 13)

Fig. 13. Esquema que muestra polímeros lineales y ramificados

Materiales cerámicos

Estos se han utilizado durante millones de años. La mayoría de los materiales cerámicos presentan buenaresistencia a la compresión; sin embargo, no exhiben virtualmente nada de ductilidad a la tensión. La familiade los materiales cerámicos incluye materiales inorgánicos policristalinos y de un solo cristal, vidriosinorgánicos amorfos y vitroceramicos.

Existen muchas maneras distintas de clasificar a los materiales cerámicos. Una de ellas es definirlos en la basede sus compuestos químicos o según su función principal.

Los materiales cerámicos se utilizan en una amplia gama de tecnologías como refractarios, bujías, dieléctricosen capacitares, sensores, abrasivos, medios de grabación magnética, etc. Los materiales cerámicos tambiénpueden aparecer en la naturaleza en forma de óxidos o como materiales naturales. Los materiales cerámicos seutilizan también como recubrimientos. Los vidriados son recubrimientos cerámicos aplicados a objetos devidrio; los esmaltes son recubrimientos aplicados a objetos metálicos. La alumina y el silicio son losmateriales cerámicos mas utilizados y existen números aplicaciones de estos.

Materiales compuestos

Los materiales compuestos se forman cuando dos o mas materiales o fases se utilizan juntas para dar unacombinación de propiedades que no se pueden lograr de otra manera. Los materiales compuestos se puedenseleccionar para obtener combinaciones no usuales de rigidez, peso, desempeño a altas temperaturas,resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. Los materiales compuestos ponen de manifiesto la forma enque materiales distintos pueden trabajar sinergicamente. La concha de abalone, la madera, el hueso y losdientes son ejemplos de materiales compuestos de origen natural. Los materiales compuestos incluyenmateriales como los plásticos reforzados con carbono o con fibra de vidrio. Estos ofrecen ventajassignificativas en resistencias específicas y su uso creciente en aviones, componentes electrónicos, automotoresy artículos deportivos.

Producción de un material compuesto: Se utiliza una diversidad de métodos para producción depiezas de material compuesto, dependiendo de la aplicación y de los materiales. Los materialescompuestos reforzados con fibras cortas se elaboran normalmente mezclando las fibras en una matrizliquida o plástica, y utilizando técnicas relativamente convencionales, como seria el moldeo porinyección para materiales compuestos en base polimérica o por vaciado, en el caos de materialescompuestos con matriz metálica, sin embargo, se han diseñado técnicas especiales para la producciónde materiales compuestos utilizando fibras continuas, ya sea de una forma alineada unidireccional enestera o en tejido (figura 14). En técnicas de elaboración manual, las cintas esferas o tejidos seextiende sobre una forma, saturada con resina polimérica, y se presionan para asegurar un buencontacto y una completa eliminación de la porosidad. De esta manera se pueden fabricar carroceríasde automóviles y camiones de fibra de vidrio.

•

Las cintas o telas también se pueden colocar en un dado y pueden formarse mediante el moldeo por bolsa. Seintroducen gases a alta presión o se provoca un vacío, para obligar que las capas individuales se junten de talmanera que duran te el curado se obtenga una buena unión. En el moldeo con dados macho y hembra, secolocan fibras cortas o esteras en un dado hecho en dos piezas, al cerrarse se obtiene la forma deseada.

Semiconductores

12

Es evidente que la tecnología a revolucionado a la sociedad, pero la electrónica del estado sólido estarevolucionando a la misma tecnología. Un grupo relativamente pequeño de elementos y compuestos tienenuna propiedad eléctrica importante, la semiconduccion, que, en la cual ni son buenos conductores eléctricos,ni son buenos aisladores eléctricos. En vez de ello, su capacidad de conducción eléctrica es intermedia.

Podemos clasificarlos en

Semiconductor intrínseco• Semiconductor extrínseco•

Todos chips de cómputo dependen de los semiconductores. Fabricamos diodos, transistores y láser utilizandosemiconductores.

BIBLIOGRAFIA

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Pat L. Mangonon

Prentice Hall

Primera Edición.

© Ciencia de Materiales para ingenieros

James F. Shackelford

Prentice Hall

Tercera Edición.

© Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales

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Segunda Edición.

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Pradeep P. Phulé

Thomson

Cuarta Edición

© http://www.monografias.com/historia/index.shtml.

© http://www.textoscientificos.com

13

© http://fullelectronica.com.ar/negocio/imagenes/ceramicos%20plate.jpg

En honor a Charles Augustin de Coulomb (1736 − 1806), físico francés, primero en demostrarexperimentalmente la naturaleza de las ecuaciones de atracción electroestática (para grandes esferas, no paraiones). Además de sus importantes aportaciones a la comprensión de la electricidad, Coulomb fue precursorimportante en el campo de la mecánica aplicada, en especial los campos de fricción y torsión.

Se le denomina electronegatividad a la tendencia que tiene un atomo que forma parte de un enlace a atraerhacia si los electrones compartidos.

Los electrones de valencia son los orbítales electrónicos externos, que intervienen en el enlazamiento.

Propuesta por Drude y Lorente en el periodo comprendido entre 1900 y 1916.

Johannes Diderik van der Walls (1837 − 1923), físico holandés, mejoro las ecuaciones de estado de los gases,considerando el efecto de las fuerzas de enlazamiento secundario. Sus brillantes investigaciones se publicaronpor primera vez como disertación de tesis a partir de sus estudios de física, en tiempo libre. El reconocimientoinmediato de su trabajo ocasionó su cambio de actividad; de directivo de una escuela secundaria a profesor dela universidad de Ámsterdam.

A veces, a los enlaces primarios se les llama enlaces químicos, y a los secundarios enlaces físicos.

Fuerza perpendicular (fuerza normales)

20

+

N1

+

N2

Enlace iónico

Na

Cl

Na+

Cl −

Transferencia de electrones

+

+

+

14

+

+

+

+

+

Atracción

Intermolecular

Muy débil

Molécula de hidrogeno

Molécula de hidrogeno

e

e

Átomo de argón (Ar) aislado

Átomo de Ar aislado

Centro de carga positiva (núcleo)

Centro de carga negativa (electrón)

Enlace secundario

Magnitud del momento dipolar

e

La máxima densidad de probabilidad de dos electrones de dos electrones entre átomos forma un enlacecovalente intramolecular muy fuerte

H

H

H

H

e

Puente de hidrogeno (van der Waalls

15

C

H

Enlace covalente

Cadenas poliméricas

a)

H

H

O

H

O

H

O

H

H

Puente de Hidrógeno

Enlace covalente

b)

Ciencias

Básicas

Física, Química,

Matemática

Ciencia e Ingeniería

de Materiales

Polímeros

Metalurgia,

Cerámica

16

Ciencias

de la Vida

Ciencias Aplicadas

Eléctrica,

Nuclear,

Aeroespacial

Mecánica,

Química, Civil

Minería,

Geología

Medicina

Ingeniería

F%

F%

F%

F%

A1

A2

De compresión ( − )

De tensión ( + )

a)

b)

F% > F%

A1 A2

Esfuerzo normal

A

17

F%

F%

� = F% / A

Fig. 10. Definición de esfuerzo cortante

a)

Fig. 12. Corte de un pistón (uso de los materiales metálicos).

F

Fig. 9. Definición de los esfuerzos normales.

Fig. 11. La fuerza aplicada a la superficie A se resuelve en sus componentes normal y paralela a A paraobtener los esfuerzos

F%

F%

b)

c)

d)

Aire

Hule

Dado

Dado

dado

Dado

Rodillo

a)

b)

c)

Fig. 14. Producción de formas de materiales compuestos en dados a) a mano, b) mediante moldeo a presión yc) mediante moldeo con dados macho y hembra

18

Fig. 14. Cerámicos avanzados

Fig. 16. Semiconductores: Usados en electrónica, en especial en microelectrónica.

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