UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL Y MECNICA

CARRERA DE INGENIERA MECNICA

INGENIERA DE MATERIALES II

RESUMEN WILLIAM SMITH 4 ed.

CAPTULO 1 8

Docente: Ing. Henry Vaca

Nombre: Santiago Escobar

Semestre: Quinto

Paralelo: A

INGENIERA DE MATERIALES

CAPTULO 1: MATERIALES E INGENIERA.

Materiales son sustancias que constituyen cualquier cosa. Los materiales ms comunes son:

madera, hormign, ladrillo, acero, plstico, vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel.

Los materiales pueden ser modificados gracias a los Ingenieros que deben conocer su

estructura y propiedades desarrollando mtodos para su proceso.

TIPOS DE MATERIALES.

Est dividido en cinco grupos:

1. Materiales Metlicos

2. Polmeros.

3. Cermicos.

4. Compuestos.

5. Electrnicos.

A estos materiales se los puede diferenciar por sus propiedades mecnicas, fsicas y

elctricas.

1. Materiales Metlicos.

Formados fundamentalmente de elementos metlicos siendo buenos conductores

trmicos y elctricos, son dctiles a temperatura ambiente; tambin pueden contener

elementos no metlicos.

Estos metales y aleaciones se dividen en:

1.1. Metales y aleaciones ferrosas: Contienen hierro en su mayor parte como

aceros y hierros fundidos.

1.2.Metales y aleaciones no ferrosas: Contienen hierro en pequeas cantidades

como no las pueden tener.

2. Materiales Polimricos.

Contienen cadenas de molculas orgnicas o redes. Los materiales polimricos son

malos conductores de electricidad.

3. Materiales cermicos.

Materiales inorgnicos formados por una combinacin de elementos metlicos y no

metlicos, tienen fragilidad mecnica.

Los materiales cermicos tienen la ventaja en varias aplicaciones debido a su bajo

peso, alta resistencia y dureza, resistencia al calor y a la humedad,reducida friccin

y propiedades aislantes.

4. Materiales compuestos.

Son la mezcla de dos o ms materiales dndoles caractersticas especficas y

propiedades deseadas.

5. Materiales electrnicos.

Su principal componente es el silicio y son importantes en ingeniera avanzada.

Dentro de estos materiales se encuentran productos como satlites de comunicacin,

relojes digitales y robots de soldadura.

CAPTULO 2: Estructura atmica y enlace.

Los tomos estn constituidos por tres partculas subatmicas: protones, neutrones y

electrones. Los electrones externos determinan propiedades elctricas, mecnicas, qumicas

y trmicas de los tomos.

El nmero atmico indica el nmero de protones q hay en su ncleo.

La masa atmica de un elemento es la masa en gramos de 6.023x1023

del elemento.

La energa y movimiento de un electrn se caracteriza por cuatro nmeros cunticos:

Nmero cuntico principal n: Representa el nivel electrnico principal del electrn, estos

valores son positivos comprendidos entre 1 y 7. Mientras mayor sea el nmero cuntico

principal de un electrn mayor es su energa.

Nmero cuntico secundario l: Especifica el subnivel y subcapa donde se determina si el

nivel energtico est ocupado. Las letras s, p, d y f designan los subniveles energticos l

as:

l = 0 1 2 3

l = s p d f

Nmero cuntico magntico m1: Especifica la orientacin espacial de un orbital atmico e

influye muy poco en la energa de un electrn.

Nmero cuntico de spin electrnico ms: Especifica la direccin en sentido a las

manecillas del reloj y en sentido contrario entre las dos direcciones de spin permitidas de

un electrn que gira en torno a su propio eje.

El principio de exclusin de Pauli establece que dos electrones no pueden tener sus cuatro

nmeros cunticos iguales.

Tamao atmico: El tamao atmico de un elemento aumenta conforme se le aaden

niveles sucesivos al incrementar el nmero cuntico principal.

Configuraciones electrnicas de los elementos: Describe cmo los electrones estn

ordenados en orbitales en un tomo Los superndices sobre las letras de orbital los

electrones que contiene cada orbital.

Tabla de configuraciones electnicas de los elementos.

Gases nobles. Son ms estables y menos reactivos.

Elementos electropositivos y electronegativos. Los elementos electropositivos son

metlicos. Se conoce como numero de oxidacin positivo al nmero de electrones cedido

por el tomo.

Los elementos electronegativos son no metlicos. Se conoce como nmero de oxidacin

negativo cuando al nmero de electrones aceptados por el tomo.

Electronegatividad. Muestra la capacidad de un tomo para atraer hacia s a los electrones

de enlace. Los elementos ms electropositivos son los metales alcalinos y los elementos

ms electronegativos son solamente ciertos elementos.

TIPOS DE ENLACES ATMICOS Y MOLECULARES.

Enlaces atmicos primarios.

Desarrollan grandes fuerzas interatmicas y se divide en tres clases:

1. Enlaces inicos. Estan formados por tranferencia de uno o ms electrones de un

tomo electropositivo a un tomo electronegativo y son no direccionales.

2. Enlaces covalentes. Se forman por la comparticin de par de electrones de sencillos

orbitales y son direccionales

3. Enlaces metlicos. Slo se dan entre tomos metlicos y son no direccionales.

Enlaces atmicos secundarios.

Formados por atraccin electrosttica entre dipolos elctricos y se dividen en:

1. Enlaces de dipolo permanente. Son enlaces dbiles que se forman entre molculas

que tienen dipolos permanentes.

2. Enlaces de dipolo oscilante. Enlaces dbiles de dipolo elctrico se producen entre

tomos y se denomina oscilante ya que la densidad electrnica est cambiando

continuamente.

CAPTULO 3: Estructuras y geometra cristalina.

PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METLICAS.

Las estructuras cristalinas ms comunes son:

1. Cbica centrada en el cuerpo (BCC).

2. Cbica centrada en las caras (FCC).

3. Hexagonal compacta (HPC).

Los planos de empaquetamiento compacto se refieren a los planos donde los tomos estn

empaquetados lo ms junto posible. Las direcciones en que se encuentran en contacto lo

ms posible se llaman direcciones de empaquetamiento compacto.

Para diferenciar estructuras cristalinas en los factores de empaquetamiento atmico se

determinan desde el modelo atmico de esferas rgidas.

Se denomina polimorfismo a los metales que tienen a diferentes estructuras cristalinas en

diferentes rangos de presin y temperatura.

ANLISIS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS.

Se puede determinar las estructuras cristalinas de slidos mediante tcnicas de difraccin de

rayos x, tambin se lo puede realizar por el mtodo de muestra en polvo.

CAPTULO 4: Solidificacin, imperfecciones cristalinas y difusin en slidos.

Los metales y aleaciones en su mayor parte son fundidos y moldeados. En la solidificacin

del metal en el molde donde se crea un metal de fundicin solidificado con estructura

granular policristalina.

En todos los materiales cristalinos reales estn presentes imperfecciones cristalinas, los

espacios o disposiciones atmicas se explican en trminos de la agitacin trmica de los

tomos los cuales se consideran defectos reticulares de equilibrio.

Las dislocaciones son defectos de no equilibrio e incrementan la energa interna del metal.

Las imperfecciones en la superficie de metales son los lmites de grano que se crean por

cristales por diferentes orientaciones al juntarse unos con otros durante la solidificacin.

En los slidos metlicos se produce la difusin atmica principalmente por espacios o

mecanismo de sustitucin donde los tomos casi de igual tamao se desplazan utilizando

las posiciones atmicas vacantes y por mecanismo intersticial los tomos de pequeo

tamao se mueven a travs de los espacios intersticiales.

Leyes de Fick:

1. La difusin tiene lugar ya que existe diferencia en una sustancia de concentracin

difundiendo entre ambos lados del material y se aplica en condiciones estacionarias

que no cambian con el tiempo.

2. Se aplica en condiciones de estado no estacionario.

La velocidad de difusin depende fuertemente de la temperatura.

CAPTULO 5: Propiedades elctricas de los materiales

En el modelo de conduccin elctrica en los metales pueden moverse libremente los

electrones externos de valencia entre los centros de iones positivos de la red metlica. Los

electrones libres alcanzan una velocidad de corriente dirigida al aplicarles un potencial

elctrico. La corriente elctrica est constituida por el movimiento de electrones y su carga

elctrica asociada en un metal.

Para la conduccin elctrica en metales el modelo de bandas de energa los electrones de

valencia de los tomos metlicos interaccionan para formar bandas de energa, como estas

bandas de energa se superponen dando bandas de energa parcialmente llenas lo cual

requerir solamente poca energa para excitar los electrones ms energticos para que pasen

a ser conductores. A travs de los enlaces inicos y covalentes estn atrados

frecuentemente los electrones en los aislantes, y no son libres para conducir la electricidad

a no ser que estn muy excitados.

Para un aislante el modelo de bandas consiste en una banda de valencia inferior llena y una

banda de conduccin superior vaca.

Los semiconductores intrnsecos tienen entre las bandas de valencia y de conduccin una

separacin energtica relativamente pequea.

Los semiconductores pueden ser de tipo n(negativos) porque tienen electrones como

portadores mayoritarios; los de tipo p(positivos) por carencia de electrones tienen huecos

como portadores mayoritarios.

CAPTULO 6: Propiedades macnicas de los metales

Mediante diversos mtodos de manufactura son procesados los metales y aleaciones.

El metal se deforma elsticamente y despus plsticamente cuando se aplica una tensin

uniaxial sobre una larga barra de metal produciendo una deformacin permanente. La

dureza de un metal puede resultar de importancia en ingeniera donde las escalas de dureza

en la industria son de dos tipos:

1. Rockwell B y C

2. Brinell (BHN)

En el proceso de deslizamiento da lugar a la deformacin plstica de los emtales

involucrando un movimiento de las dislocaciones. El deslizamiento tiene lugar sobre los

planos ms compactos y en direcciones de mximo empaquetamiento constituyendo un

sistema de deslizamiento. Son ms dctiles los metales con un alto nmero de sistemas de

deslizamiento que aquellos con solo unos pocos sistemas de deslizamiento.

Al proporcionar barreras al movimiento de dislocacin los lmites de grano a baja

temperatura usualmente endurecen los metales. Bajo algunas condiciones de deformacin a

alta temperatura los lmites de grano se vuelven regiones de debilidad debido al

deslizamiento del lmite de grano.

Se produce un aumento en la resistencia y disminucin de la ductilidad cuando el metal se

endurece por deformacin plsticamente por trabajo en fro, este endurecimiento puede

eliminarse proporcionando al metal un tratamiento trmico de recocido. Al ser calentado el

metal endurecido lentamente hasta una temperatura por debajo de su punto de fusin da

lugar un proceso de recuperacin, recristalizacin y crecimiento del grano donde el metal se

ablanda. Para conseguir grandes reducciones en la seccin de un metal sin fracturase

obtiene mediante la combinacin de endurecimiento por deformacin y recocido.

El metal se fractura debido a la fatiga si est sometido a una tensin cclica y compresin

de suficiente magnitud. En los metales la fractura por tensin puede clasificarse segn los

tipos de dctil, frgil y dctil-frgil.

CAPTULO 7: Propiedades pticas y materiales superconductores

La luz visible est formada de bandas de color,donde la regin ultravioleta menor

porcentaje que la regin infraroja. Los fotones constituyen un comportamiento de onda y

constan de partculas lo que se considera como una entidad.

REFRACCIN DE LA LUZ.

Pierden algo de energa los materiales transparentes cuando se transmiten los fotones de

luz. Lo cual reduce la velocidad de la luz donde el rayo cambia de direccin.

Los metales reflejan u absorben fuertemente la radiacin ya que en los metales la banda de

conduccin se superpone a la banda de valencia. La cantidad de energa absorbida por los

metales depende de la estructura electrnica de cada metal.

En una superficie de vidrio la reflexin de luz es muy pequea que depende principalmente

del ndice de refraccin de luz normal.

En los plsticos como el poliestireno, metacrilato y policarbonato son transparentes aunque

hay regiones cristalinas donde tienen un mayor ndice de refraccin que las regiones no

cristalinas.

La luminiscencia es el proceso donde una sustancia absorbe energa y luego

espontneamente emite radiacin en el espectro visible o cercano a ste. La luminiscencia

se produce por materiales fosforescentes que absorben radiaciones de onda corta y alta

energa donde emite espontneamente radiacin luminosa de longitud de onda ms larga y

energa ms baja.

Tipos de lser.

El lser de rub no es muy usado actualmente por la dificultad al fabricar las barras de

cristal.

El lser de neodimio-YAG emite un infrarojo cercano a una longitud de onda con poca

potencia continua donde tiene la ventaja de gran conductividad trmica para eliminar el

exceso de calor.

Lser de dixido de carbono Funciona por colisiones electrnicas que excitan a las

molculas de nitrgeno y al volver a niveles de energa ms bajos emiten radiacin laser.

Son utilizados para cortar soldar y tratamientos trmicos localizados del acero.

MATERIALES SUPERCONDUCTORES

Al descender bruscamente hasta un valor casi inapreciable se los conoce como materiales

superconductores. La temperatura por debajo de la resistividad elctrica de un material se

aproxima a la del cero absoluto se llama temperatura crtica, y si est por encima de esta

temperatura al material se le llama normal.

Propiedades magnticas de los superconductores

Un material retornar a su estado normal cuando a un campo magntico fuerte se aplica en

estado superconductor. El campo magntico necesario para restablecer la conductividad

elctrica normal se llama campo crtico.

CAPTULO 8: Diagramas de fase

La ecuacin que permite calcular el nmero de fases llamada regla de las fases de Gibbs es:

P + F = C + 2

Donde P = nmero de fases que coexisten en un sistema dado

C = nmero de componentes del sistema

F = grados de libertad

Una mescla de dos metales se denomina aleacin binaria y constituye un sistema de dos

componentes debido a que cada elemento metlico de una aleacin se considera como un

componente por separado.

Se denomina sistemas isomorfos debido a que slo existe un tipo de estructura cristalina

para todas las composiciones de los componentes solubles entre s tanto en estado slido

como lquido.

Las reglas de solubilidad de slidos de Hume - Rothery:

1. La estructura cristalina de cada elemento de la solucin slida debe ser la misma-

2. Tamao de los tomos de cada uno de los dos elementos no debe diferir en ms de

un 15 por 100.

3. Los elementos no deben formar compuestos entre s; es decir no debera haber

diferencias apreciables entre las electronegatividades de ambos elementos.

4. Los elementos deben tener la misma valencia.

En la regla de la palanca se calcula los porcentajes en peso de las fases en las regiones

bifsicas de un diagrama de fases en equilibrio binario.

Las ecuaciones de la regla de la palanca se obtienen usando balances de peso.

Tratamiento trmico de homogenizacin.

Para eliminar estructura segregada los lingotes recin moldeados o piezas colocadas se

calientan a temperaturas elevadas para acelerar la difusin en estado slido.

SISTEMAS DE ALEACIONES PERITCTICAS BINARIAS.

Esta reaccin suele estar presente comnmente como parte de diagramas binarios de

equilibrio ms complicados particularmente si los puntos de fusin de los dos componentes

son muy diferentes.

SISTEMAS MONOTCTICOS BINARIOS.

La fase lquida se transforma en una fase slida y en otra lquida segn:

Otras reacciones invariantes que se presenta en sistemas binarios son la eutectoide y la

peritectoide. La eutctica y la eutectoide se asemejan en que se forman dos fases slidas a

partir de una fase de enfriamiento, donde la reaccin eutectoide la fase en descomposicin

es slida mientras que en la reaccin eutctica es lquida.

DIAGRAMAS DE FASES TERNARIOS.

Tienen tres componentes, las composiciones de los diagramas de fases ternarios se

constituyen normalmente utilizando como base un tringulo equiltero.

Los diagramas de fases ternarios con una base de composiciones de forma triangular

normalmente se constituyen en una presin constante. El diagrama donde se representa

uniformemente a lo largo de todo el diagrama se llama seccin isotrmica. Donde puede

construirse una figura con la temperatura en un eje vertical y base triangular de

composiciones para mostrar el rango de temperaturas a composiciones variables.

Los diagramas de fases son representaciones grficas de las fases que estn presentes en un

sistema de aleaciones a diversas temperaturas, presiones y composiciones.

BIBLIOGRAFA:

SMITH, William F. (1998). FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERA

DE MATERIALES. Pg 1 316. Espaa: McGRAW-HILL.