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8/15/2019 Tema_06.Seleccion de Materialespdf

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Ciencia de MaterialesGrado en ingeniería mecánicaGrado en ingeniería eléctrica

Grado en ingeniería química industrial

2º curso-1 er cuatrimestre6 ECTS


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Ciencia de Materiales

La ciencia de materiales tiene dos objetivos:

- Comprender las relaciones entre composición,procesamiento, estructura y propiedades de todomateriales

- Intervenir en la composición, procesamiento yestructura de los materiales para modificar suspropiedades

TEMA 6. Materiales para la ingeniería


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TEMA 6

Materiales para la ingeniería


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Mapa conceptual

Composición

Variables de proceso

propiedades

Procesos

Familias de materiales

Microestructura

Familias

Prestac

materiales

PropiedadesAplicac



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Guión6.1 Familias de materiales

6.2 Materiales metálicos

6.3 Materiales poliméricos

6.4 Materiales cerámicos

6.5 Materiales compuestos



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6.1 Familias de materiales

CES EduPack – diagramas de Ashby



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Capítulo 1: Propiedades de los materiales (Mecánicas)

La Ciencia de los Materiales se ocupa principalmente de las propiedades, clasificación,procesamiento y usos de las diversas manisfestaciones de la materia en el Universo. En estecurso, omitiremos lo referente al procesamiento y nos concentraremos en los otros tresaspectos

El comportamiento de los materiales queda definido por su estructura. a nivel microscópico, laestructura eléctronica de un átomo determina la naturaleza de los enlaces atómicos que a suvez contribuye a fijar las propiedades de un material dado

En forma general, las propiedades se separan para su estudio en dos grandes ramas:propiedades físicas y propiedades mecánicas

Propiedades mecánicas : Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas,incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altastemperaturas. A continuación, se definen las que mencionaremos más adelante

- Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse niromperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen

- Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma ydimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación

- Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración

- Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque

- Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones permanentes,bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura

- Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertosmetales para poder estirarse en forma de hilos finos

- Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunosmetales en láminas delgadas

Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos

- Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material

- Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material

- Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material

- Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee unmaterial para proceder a su forja, doblado, embutido, etc

Propiedades físicas : Dependen de la estructura y procesamiento del material. Describencaracterísticas como color, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamientoóptico, generalmente no se alteran por fuerza que actúan sobre el material. Pueden dividirse eneléctricas, magnéticas y ópticas.

En capítulos posteriores estudiaremos por separado estos grupos y las definiciones delas distintas propiedades que los conforman.


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Capítulo 2: Propiedades de los materiales. (Eléctricas)

Ahora, le daremos un vistazo a lo que implica el primer grupo que mencionamos dentro de laspropiedades físicas. Recuerda, este curso es tan sólo una introducción

Propiedades eléctricas : Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en muchasocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también el comportamientodieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica, que va más alláde simplemente proporcionar aislamiento

Los electrones son los portadores de carga en los materiales conductores, semiconductores ymuchos de los aislantes; en los compuestos iónicos son los iones quienes transportan la mayorparte de la carga. La movilidad de los portadores depende de los enlaces atómicos, de lasimperfecciones de la red, de la microestructura y, en los compuestos iónicos, de lasvelocidades de difusión.

La aplicación de un campo magnético genera la formación y el movimiento de dipoloscontenidos en el material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos que tienen cargadesequilibrada. Dentro de un campo eléctrico aplicado los dipolos se alinean causandopolarización. Existen cuatro mecanismos de polarización

- Polarización electrónica. Consiste en la concentración de los electrones en el lado del núcleomás cercano al extremo positivo del campo. Esto implica una distorsión del arreglo electrónico,en la que el átomo actúa como un dipolo temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todoslos materiales es pequeño y temporal

- Polarización iónica. Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente cuando secolocan en un campo eléctrico. En consecuencia la carga se redistribuye minúsculamentedentro del material. Los cationes y aniones se acercan o se alejan dependiendo de la dirección

de campo. Estos dipolos temporalmente inducidos causan polarización y también puedenmodificar las dimensiones generales del material

- Polarización molecular. Algunos materiales contienen dipolos naturales, que, al aplicárselesun campo giran, hasta alinearse con él. En algunos materiales, como el titanato de bario, losdipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado la influencia del campo externo

Anteriormente, al hablar de polarización iónica, mencionamos la posibilidad de que hubieramodificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como electrostricción,además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre iones, puede ser resultado dela actuación de los átomos como partículas en forma oval en vez de esférica o por distorsióndebida a la orientación de los dipolos permanentes del material

Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional: cuando se les imponeun cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un campo. Los materialesque presentan este comportamiento son piezoeléctricos

Cuando se encuentran entre capas de material conductor, los materiales dieléctricos que sepolarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedad se describe mediante

- Constante dieléctrica, que es la relación de la permisividad del material con la permisividad enel vacío

- Resistencia dieléctrica. Es el campo dieléctrico máximo que puede mantener un material

entre conductores


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La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo eléctrico sepuede explicar en función de una alineación residual de dipolos permanentes. Esto sucede dela siguiente forma: se toma un cristal cuyos dipolos se encuentran orientados de formaaleatoria, de forma que no hay polarización neta; al aplicar un campo, los dipolos comienzan aalinearse con dicho campo; finalmente, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene lapolarización máxima o de saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda unapolarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedadopermanentemente polarizado. Los materiales que retienen una polarización neta, una vezretirado el campo se conocen como ferroeléctricos

Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los portadores de cargacomo iones y electrones se muevan de un conductor a otro a través de él, en consecuencia,los materiales dieléctricos tienen siempre una alta resistividad eléctrica.

Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad eléctrica, altaresistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo, una constante dieléctrica altano es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable. Una constante dieléctrica pequeña

impide la polarización, por lo que no se almacena carga localmente en el aislante.


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Capítulo 3: Propiedades de los Materiales. (Magnéticas)

Propiedades magnéticas : El comportamiento magnético esta determinado por lasinteracciones entre dipolos magnéticos, estos dipolos a su vez están dados por la estructuraelectrónica del material. Por lo tanto, al modificar la microestructura, la composición o elprocesamiento se pueden alterar las propiedades magnéticas

Los conceptos que definen los efectos de un campo magnético en un material son

Concepto Definición

Momento magnético. Intensidad de campo magnético asociado con el electrón.

Permeabilidad magnética. El material amplifica o debilita el efecto del campo magnético.

Magnetización. Representa el incremento en la inducción magnética debida al material del núcleo.

Susceptibilidad magnética.Es la relación entre la magnetización y el campo aplicado, proporciona la amplificación dadapor el material.

Así, cuando se acerca un campo magnético a un conjunto de átomos es posible observardiversas reacciones

- Diamagnetismo: El campo magnético influye en los momentos magnéticosde los electronesdentro del átomo y produce un dipolo para todo los átomos. Estos dipolos se oponen al campomagnético, haciendo que la magnetización sea menor a cero

- Paramagnetismo: Debido a la existencia de electrones no apareados, a cadaátomo se leasocia un momento magnético neto, causado por el giro de los electrones. Cuando se aplica uncampo magnético, los dipolos se alinean con él, resultando una magnetización positiva. Pero,dado que los dipolos no interactúan, para alinearlos se requieren campos magnéticos

extremadamente grandes. Además, en cuanto se elimina el campo, el efecto se pierde- Ferromagnetismo: Es causado por los niveles de energía parcialmente ocupados del nivel 3d del hierro, el níquel y el cobalto. Consiste en la fácil alineación de los dipolos permanente noapareados con el campo magnético aplicado, debido a la interacción de intercambio o alrefuerzo mutuo de los dipolos. Esto significa que aún con campos magnéticos pequeños seobtienen magnetizaciones importantes, con permeabilidad relativa de hasta 106

- Antiferromagnetismo: Los momentos magnéticos producidos en dipolos vecinos se alineanen el campo magnético oponiéndose unos a otros, aún cuando la intensidad de cada dipolosea muy alta. Esto produce una magnetización nula

- Ferrimagnetismo: Se da principalmente en materiales cerámicos, donde diferentes ionescrean momentos magnéticos distintos, causando que, en un campo magnético los dipolos deion A pueden alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del ion B pueden oponérsele.Como las intensidades de los dipolos son distintas, el resultado será una magnetización neta.Así, los materiales con este tipo de comportamiento pueden dar una buena intensificación delcampo aplicado


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Capítulo 4: Propiedades de los Materiales.(Ópticas I)

Propiedades ópticas : Se relacionan con la interrelación entre un material y las radiacioneselectromagnéticas en forma de ondas o partículas de energía, conocidas como fotones. Estasradiaciones pueden tener características que entren en nuestro espectro de luz visible, o serinvisibles para el ojo humano. Esta interacción produce una diversidad de efectos, comoabsorción, transmisión, reflexión, refracción y un comportamiento electrónico

Fenómenos Ópticos. Al interactuar con la estructura electrónica o cristalina de un material, losfotones de una fuente externa crean varios fenómenos ópticos. Si los fotones incidentesinteractúan con los electrones de valencia pueden ocurrir varias cosas: los fotones cedenenergía al material, en cuyo caso hay absorción; o puede ser que cuando los fotones aportanenergía, de inmediato el material emite electrones de idéntica energía, de forma que seproduce reflexión. También puede que los fotones no interactúen con la estructura electrónicadel material, en ese caso ocurre la transmisión. En cualquiera de estos tres casos, la velocidadde los fotones cambia; este cambio propicia la refracción

Un rayo incidente de intensidadI 0 parcialmente puede reflejarse, absorberse y transmitirse.Esta intensidadI 0 se puede expresar como

I 0 = I r + I a +It

donde I r es la porción reflejada,I a es la parte absorbida e I t es la porción transmitida a travésdel material. Determinar el comportamiento de los fotones respecto al material es necesarioconocer varios factores internos de este, particularmente la energía requerida para excitar unelectrón hacia un estado de energía más elevado.

Ahora examinaremos cada uno de estos cuatro fenómenos

- Refracción. Cuando un fotón es transmitido provoca la polarización de electrones en elmaterial y, al interactuar con el material polarizado, pierde parte de su energía. La velocidad dela luz se puede relacionar con la facilidad con la cual un material se polariza tantoeléctricamente (permisividad) como magnéticamente (permeabilidad).

Sin embargo, los materiales ópticos no son magnéticos, por tanto la permeabilidad puede notomarse en cuenta

Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra al material cambia dedirección. Suponiendo que un haz de fotones viaja en el vacío e incide sobre un material, a y bson los ángulos que los haces incidentes y refractados tienen con el plano de la superficie delmaterial, entonces

n = c = l vacío= sen a

v l sen b

La relaciónn es el índice de refracción,c es la velocidad de la luz en el vacío yv la velocidad dela luz dentro del material. Si los fotones viajan en el material 1 y de ahí pasan al material 2, lasvelocidades de los haces incidentes y refractados dependen de la relación entre sus índices derefracción.

v1 = n1 = sen a

v2 n2 sen b


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conoce como margen de absorción. Cuando los fotones no interactúan con imperfecciones delmateria, se dice que éste es transparente. Éste es el caso del vidrio, cerámicos cristalinos dealta pureza y de polímeros amorfos como acrílicos, policarbonatos y polisulfones

- Transmisión. La fracción del haz que no ha sido reflejada ni absorbida se transmite a travésdel material. Podemos determinar la fracción del haz que se ha transmitido por medio de lasiguiente ecuación

It = I0 (1-R )2 exp (-m x )

De nuevo observamos que la intensidad del haz transmitido dependerá de la longitud de ondade los fotones dentro del haz. Si sobre un material incide un haz de luz blanca y se absorben,se reflejan y se transmiten fracciones equivalentes de fotones con longitudes de ondadiferentes, el haz transmitido también será de luz blanca. Pero, si los fotones de longitud deonda más larga son absorbidos en mayor proporción que los de longitud de onda más corta, laluz transmitida aparecerá del color de la longitud de onda corta cuya absorción haya sidomenor. La transparencia no es otra cosa que la transmisión íntegra de los haces de luz que

inciden sobre el material y la intensidad del haz también depende de característicasmicroestructurales

Cuando cualquiera de estos tres fenómenos ópticos se da de forma que solo fotones con unintervalo específico de longitud de onda son absorbidos, reflejados o transmitidos, se producenpropiedades ópticas poco comunes, que se traducen en cambios de color (policromía), colorescaracterísticos (como el rojo del láser de rubí dopado), etc.

En el siguiente capítulo continuaremos con el estudio de fenómenos ópticos, esta vezconsiderando los casos en que los fotones son emitidos por un material


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- Láser - Amplificación de la luminiscencia. El láser (siglas en inglés de light amplification bystimulated emisión of radiation, o amplificación de la luz mediante emisión estimulada deradiación), es una aplicación especial de la luminiscencia. Al calentarse un material, loselectrones saltan de la banda de valencia hacia la banda de conducción, dejando atrás"huecos" en la banda de valencia. Cuando un electrón vuelve a la banda de valenciarecombinándose con un hueco, se produce un fotón, con energía y longitud de ondaequivalentes a la brecha de energía. Este fotón estimula otro electrón, para que baje de labanda de conducción hacia la banda de valencia, creando un segundo fotón con longitud deonda y frecuencia idénticas y en fase con el primer fotón. Así, los fotones emitidos en elmaterial se amplifican. Seleccionando cuidadosamente el estimulante y el material, podemoshacer que la longitud de onda de los fotones caiga dentro de nuestro espectro de luz visible.La salida del láser es un haz de fotones paralelos y coherentes, de una misma longitud deonda. En un haz coherente, la naturaleza ondulatoria de los fotones está en fase, por lo que noocurren interferencias destructivas. Los rayos láser son útiles en tratamiento térmico y fusión demetales, en soldadura, cirugía, cartografía, en la transmisión y procesamiento de información yotras aplicaciones

- Emisión térmica. Al calentarse un material, los electrones se excitan térmicamente hastallegar a niveles energéticos superiores, particularmente en los niveles superiores de energía,donde los electrones están débilmente unidos al núcleo. De inmediato estos regresan a susniveles normales, liberando fotones. Conforme se incrementa la temperatura, la agitacióntérmica aumenta y también la máxima energía de los fotones emitidos. Se emite un espectrocontinuo de radiación, con una longitud de onda mínima y una distribución de intensidaddependientes de la temperatura. Algunos de los fotones pueden tener longitudes de ondadentro de nuestro espectro visible, por lo que el color del material cambiará con la temperatura.A temperaturas bajas, la longitud de onda de la radiación es demasiado larga para ser vista.Conforme la temperatura asciende, los fotones emitidos son de longitudes más cortas. A los700 °C comienza a verse un tinte rojizo y de esta temperatura en adelante, se producen todas

las longitudes de onda visibles, hasta que es espectro emitido es una luz blanca. Midiendo conun pirómetro la intensidad de una banda estrecha de las longitudes de onda emitidas, se puedeestimar la temperatura del material


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Cada clase contiene series de materiales caracterizados por una aplicación común; a su vez,cada serie se divide en grupos de materiales con características afines y específicas. Y elgrupo esta compuesto por individuos que indican un tipo definido del material considerado. Así,la identificación de un producto determinado depende de la indicación

Clase- Serie- Grupo- Individuo

Ejemplo: F-517 donde

F = Aleación férrea

5 = Acero para herramientas

1 = Grupo de aceros de carbono

7 = Composición

Aleaciones Férreas

Son las sustancias férreas que han sufrido un proceso metalúrgico. También llamadosproductos siderúrgicos, pueden clasificarse en: Hierro. Aceros. Fundiciones. Ferroaleaciones.Aleaciones férreas especiales. Conglomerados férreos

De todos estos productos siderúrgicos, son los aceros y fundiciones los empleados porexcelencia en la fabricación mecánica y ya en menor proporción, los conglomerados no férreos.De estos últimos hablaremos de forma más amplia en capítulos posteriores

Hierro.

Nombre de un elemento químico, blanco-gris, peso especifíco 7.85, punto de fusión 1530 °C,peso atómico 55.84, No. Atómico 26, insoluble, punto de ebullición 2450°C, magnético hastalos 770°C, resistencia a la tracción 25 Kg /mm2

También aplica a los hierros industriales que son productos siderúrgicos de los que, solamentecon carácter de impurezas pueden formar parte otros elementos

El hierro puro carece de una gran variedad de usos industriales debido a sus bajascaracterísticas mecánicas y la dificultad de su obtención. Encuentra aplicaciones en la industriaeléctrica dadas sus cualidades de permeabilidad magnética


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Capítulo 7: Clasificación de los materiales. (Metales II: Aceros)

Continuando con los metales, este capítulo esta enteramente dedicado al siguiente subgrupode la lista de aleaciones férreas, los aceros, debido a que actualmente tienen un lugarpreponderante entre los materiales metálicos

Acero.

Es una aleación de hierro y carbono, que puede contener otros elementos, en la que elcontenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7 %, no rebasa el límite de su saturación al solidificarquedando todo él en solución sólida

El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas del acero,cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y la dureza del acero,pero también será más frágil y menos dúctil

Clasificación de los aceros

El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los aceros en las siguientes series:F-100 Aceros finos de construcción general

F-200 Aceros para usos especiales

F-300 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación

F-400 Aceros para emergencia

F-500 Aceros para herramientas

F-600 Aceros comunes

Cada una de estas series de subdivide en grupos, obteniendo

Grupo F-110 Aceros al carbono

Grupo F-120 Aceros aleados de gran resistencia

Grupo F-130

Grupo F-140 Aceros aleados de gran elasticidad

Grupo F-150 Aceros para cementar

Grupo F-160

Grupo F-170 Aceros para nitrurar

Grupo F-210 Aceros de fácil mecanizado

Grupo F-220 Aceros de fácil soldadura

Grupo F-230 Aceros con propiedades magnéticas

Grupo F-240 Aceros de alta y baja dilatación

Grupo F-250 Aceros de resistencia a la fluencia


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Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad proporciona una granresistencia a la corrosión

Plomo

El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos,como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta,(torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, elporcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valoresinferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente

Silicio

Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, además les proporcionaelasticidad. Si la proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienen buenas característicasmagnéticas

Tungsteno

Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altastemperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que esposible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas

Vanadio

Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, queproporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los acerospara herramientas

Toda esta información es sólo la punta del iceberg respecto a los aceros, sin embargo es más

que suficiente material de estudio para un capítulo. En la próxima entrega, tendremos locorrespondiente a fundiciones, ferroaleaciones, aleaciones férreas especiales y conglomeradosférreos


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Capítulo 8: Clasificación de los materiales. (Metales III)

Ahora, vamos completar nuestro estudio de los materiales metálicos férricos con los últimoscuatro grupos

Fundición

Es una aleación de hierro y de carbono, pudiendo contener otros elementos , estando elcarbono en una proporción superior al 1. 76 % (generalmente de 2 a 5 %), valor que constituyeel límite de saturación en la solidificación , formándose en tal momento los constituyentes decarburo de hierro y grafito libre además del hierro

Clasificación de las fundiciones

Las características de una fundición no sólo dependen de su composición química, sinotambién del proceso de elaboración, ambas cosas determinan la forma de presentarse elcarbono (combinado, en forma de grafito laminar, esferoidal, etc.)

Se distinguen dos grandes grupos de fundiciones: ordinarias, constituidas por hierro, carbono ypequeñas impurezas y las especiales que además de lo anterior, contienen uno o varioselementos que modifican sus características

Las fundiciones ordinarias se pueden clasificar por el aspecto de su fractura distinguiéndose lascuatro siguientes

· Fundiciones negras

Fundiciones negras son aquellas que presentan facetas negras brillantes, muy desarrolladas,formadas por cristales de grafito, su grano grueso

· Fundiciones grises Las fundiciones grises tienen un aspecto color gris brillante con grano fino. Estas fundicionescontienen el carbono en estado grafítico repartido en finas laminas por entre la masa de hierro.La fundición gris se emplea para la mayoría de las piezas mecánicas que han de servir desoporte o de alojamiento de los mecanismos

· Fundiciones blancas

En las fundiciones blancas, el carbono esta completamente combinado con el hierro, formandocarburo de hierro (cementita) que es un constituyente muy duro, pero frágil

· Fundiciones atruchadas

Fundiciones atruchadas, son intermedias entre la blanca y la gris, poseen propiedadesintermedias entre ambas fundiciones y su fractura presenta ambos colores característicos

Las fundiciones no permiten operaciones de forja

La clasificación establecida por el Instituto del Hierro y el Acero de las fundiciones utilizadas enla construcción mecánica es la siguiente

Serie F-800 Fundiciones

Grupo F-810 Fundiciones grises

Grupo F-830 Fundiciones maleables


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Grupo F-840 Fundiciones maleables perlíticas

Grupo F-860 Fundiciones nodulares

Grupo F-870 Fundiciones especiales

Fundición maleable Es la obtenida a partir de una fundición blanca mediante el adecuado tratamiento térmico,adquiriendo una aceptable maleabilidad

Fundiciones nodulares

En estas fundiciones el grafito solidifica en forma de pequeñas esferas, gracias a la adición deelementos tales como el cerio y el magnesio, con lo cual aumenta considerablemente suresistencia a la tracción

Fundiciones especiales

Son fundiciones especiales aleadas con otros elementos tales como Mn, Cr, Mo, Ni, Cu, etc.Logrando propiedades determinadas: alta resistencia a la tracción, al desgaste, a las altastemperaturas, a la corrosión, etc

Ferroaleaciones

Son productos siderúrgicos que, sin tener necesariamente un marcado carácter metálico,contiene además del hierro uno o varios elementos (metales o metaloides) que los caracterizan

Las ferroaleaciones encuentran su empleo en la metalurgia para la fabricación de aceros quehan de responder a ciertas condiciones, así

Ferromanganesos que se utilizan en la obtención de aceros al manganeso

Ferrocromos que se emplean en la obtención de aceros al cromo

Ferrosilicios utilizados en la obtención de aceros al silicio

Ferrotungstenos sirven para la obtención de aceros rápidos para herramientas y aceros paraimanes

Ferrovanadios y ferromolibdenos que se emplean para la fabricación de aceros al vanadio y almolibdeno, respectivamente, etc

Aleaciones Férreas especiales Son las que no pertenecen a ninguno de los grupos anteriores, pero contienen hierro comometal base

Conglomerados férreos

Son los productos obtenidos para la unión entre sí, de partículas de sustancias férreas con talcoherencia que resulte una masa compacta

A partir de la siguiente entrega comenzaremos a estudiar lo referente a materiales metálicos noférricos


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Capítulo 9: Clasificación de los Materiales.(Metales no férricos)

Bueno, ya que hemos terminado de ver las generalidades de los materiales métalicos férricos,aún nos queda saber lo concerniente a aquellos materiales que no tienen relación con el hierro

Aluminio

Es un metal de color blanco plateado, siendo su principal característica su ligereza que lo hacemuy útil en variadas aplicaciones. Es dúctil y maleable, buen conductor de la electricidad y delcalor. Tiene un peso específico de 2.7 Kg / dm3 y funde a los 667 °C. Su resistencia a latracción es de unos 10 Kg / mm2 si es fundido o recocido, valor que se duplica si estalaminado en frío (agrio); esta resistencia decrece rápidamente si aumenta la temperatura, así:a 300 °C su resistencia disminuye a un tercio y a 500 °C a un décimo de su valor en frío

Se distinguen dos clases de aluminio: puro (99.88 % de Al) y técnico (99 % 98 %... de Al). Elprimero se emplea excepcionalmente, mientras que el aluminio técnico encuentra mayorcampo de aplicaciones

Aleaciones de aluminio

Las propiedades mecánicas del aluminio mejoran considerablemente si se alea con otrosmetales, tales como el cobre, magnesio, silicio, zinc, plomo, etc. En la norma UNE 38.001 seestablece la siguiente clasificación

Serie L-200. Aleaciones ligeras de Al para moldeo

Serie L-300. Aleaciones ligeras de Al para forja

Serie L-400. Aleaciones ligeras de Al de alta fusión

Cobre Este metal puede encontrarse en estado nativo en la naturaleza, principalmente formandocompuestos minerales: pirita de cobre, cobre oxidado, etc. Su obtención a partir de estosminerales es posible a través de tres procedimientos

-Reduciendo el óxido de cobre en hornos apropiados, teniendo como producto el cobremetalúrgico · Por medio del tratamiento con disolventes adecuados, lo que da un cobre muy impuro al quehay que refinar

· Por vía electrolítica, con lo que se obtiene un cobre muy puro Según su pureza, las características del cobre varían, manteniéndose dentro de los siguienteslímites

- Densidad 8.8-8.9

- Punto de fusión 1,0564 °C - 1,083°C

- Resistencia a la tracción 20 45 Kg. / mm2

Sólo se oxida superficialmente y su color rojizo se vuelve verdoso.

El cobre es muy maleable pudiendo laminarse en hojas hasta de 0.02 mm de espesor, tambiénpermite estirarlo en hilos finísimos. Sus principales aplicaciones son: fabricación de hilos,


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transformación por uno o varios puntos y se propaga poco a poco a toda la pieza, lo cual seconoce como lepra, peste o enfermedad del estaño

El estaño es muy maleable, pudiendo ser laminado en hojas de papel de estaño de algunasmilésimas de milímetro de espesor. No se altera en frío al aire seco o húmedo, es atacado porlos ácidos y por las bases, por lo que hay que evitar el traslado de estos productos enrecipientes estañados de hojalata

Aplicaciones

El estaño se puede emplear puro en forma de papel para la envoltura y conservación deproductos alimenticios, también se emplea en la industria eléctrica para hacer láminas decondensadores. Asimismo se utiliza para proteger contra el óxido la chapa de hierro (hojalata)con que se construyen recipientes y latería para envase de productos

Otro aspecto de las aplicaciones del estaño es su aleación con otros metales, principalmentecon cobre (en bronces), con plomo para obtener aleaciones de soldadura blanda y conantimonio y cobre o antimonio y plomo para formar materiales antifricción utilizados encojinetes

Plomo

Metal gris azulado, pesado, dúctil, maleable, blando, muy fusible, en contacto con el aire setoma y empaña con facilidad, los compuestos son muy venenosos

Tiene un peso específico de 11.35 Kg. / dm3 funde a 327.4 °C y su resistencia a tracciónoscila entre 1.5 a 2 Kg. / mm2. Recién cortado presenta un brillo metálico y su estructura esfibrosa. A pesar de que resiste bien el HCl y el H2SO4, el HNO3, los halógenos y el vapor deazufre lo atacan

Aplicaciones

El estaño puro se utiliza en planchas, empleadas en cubiertas; en recipientes resistentes aciertos reactivos ácidos; como elemento impermeable a la radiación; en placas de baterías yacumuladores; como tubos para conducción de agua; en forma de alambres, fusibles,perdigones, postas, etc

Como elemento de aleación participa en la fabricación de aceros al plomo, soldaduras blandas,metales antifricción además de bronces y latones especiales. También encuentra aplicacionesen forma de óxidos, para la obtención de pinturas de protección anticorrosiva

Magnesio

Metal de color y brillo semejantes a los de la plata, es maleable, poco tenaz y ligero como elaluminio

Tiene un peso específico de 1.74 Kg / dm3 y su punto de fusión es de 650 °C. En estadolíquido o en polvo es muy inflamable. Es inalterable en aire seco, pero es poco resistente a lacorrosión en atmósferas húmedas

Aplicaciones

Suele utilizarse en la industria mecánica en forma de aleaciones existiendo aleaciones demagnesio para forja, compuestas por magnesio y un 1 o 2 % de manganeso (Magmanz) o

compuesta por 8 o 9 % de aluminio de un 1 % de zinc y un 0.2 % de manganeso y el resto de


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magnesio (magal), esta última tiene mayor resistencia a la tracción que la primera, pero tiene elinconveniente de no ser soldable

Las aleaciones de magnesio debido a su ligereza ( nunca sobrepasan 1.8 Kg./dm3) son muyutilizadas en la industria aeronáutica

En nuestro próximo capítulo trataremos brevemente lo concerniente a los diagramas de fase


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Capítulo 10: Diagramas de fase y comportamiento óptico de los metales.

En este breve capítulo trataremos los puntos básicos acerca de los diagramas de fases

Diagramas de fase e interpretación

Un sistema de aleaciones es la unión de dos o más metales en todas sus combinacionesposibles, es decir, considerando todas las concentraciones posibles del metal A con el metal B

Un diagrama de fase es un esquema que muestra las fases y sus composiciones en cadatemperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes doselementos se puede elaborar un diagrama de fases binario

Cada fase tiene una composición expresada en porcentajes de cada uno de los elementos,expresado en peso

La curva superior en el diagrama es la temperatura de liquidus para las distintas aleaciones.Esto significa que la aleación debe calentarse por encima de la temperatura acotada porliquidus para hacerla completamente líquida y que empezará a solidificarse cuando se la enfríehasta la temperatura marcada por liquidus

La temperatura de solidus es generalmente la curva inferior. Una aleación no estará totalmentesólida sino hasta que se enfríe por debajo de la temperatur de solidus

La diferencia de temperatura entre liquidus y solidus se denomina rango de solidificación .Dentro de este rango coexistirán dos fases: una líquida y otra sólida

El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases están presentes a ciertatemperatura, en el momento de diseñar un proceso de fabricación para un producto metálico

Varias combinaciones de dos elementos producen diagramas de fase complejos que contienenreacciones que implican tres fases independientes. Existen cinco reacciones de tres fases demayor importancia en los diagramas binarios y son: eutéctica, peritéctica, monotéctica,eutectoide y peritectoide

Las reacciones eutéctica, peritéctica y monotéctica forman parte del proceso de solidificación.Las aleaciones que se utilizan para fundición o soldadura aprovechan el bajo punto de fusiónde la reacción eutéctica. El diagrama de fases de la aleaciones monotécticas tiene un domollamado zona de miscibilidad, en donde coexisten dos fases líquidas.. Las reaccionesperitécticas conducen a la solidificación fuera de equilibrio y a la segregación

Las reacciones eutectoide y peritectoide son exclusivas del estado sólido. La reaccióneutectoide forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones, incluyendoel acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta y produce indeseables estructurasfuera de equilibrio

Aleaciones eútecticas

Un sistema eutéctico es aquel en el cual cierta combinación de los componentes presentacompleta solubilidad en estado líquido, pero solubilidad sólida limitada, lo que significa quecuando una aleación eutéctica solidifica, los átomos de los metales componentes se segreganpara formar regiones de los metales originales casi puros

Las aleaciones eutécticas son frágiles por que la presencia de las fases insolubles inhibe eldeslizamiento. La resistencia y a veces la dureza de estas aleaciones llegan a sobrepasar lasde los metales componentes, debido a la estructura compuesta de la aleación


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Aparte, se denomina aleaciones hipoeutécticas a aquellas que cuya composición es menor quela correspondiente a las eutécticas , así como aquellas cuyo contenido es mayor son llamadashipereutécticas

Comportamiento Óptico de los metales

El fenómeno de emisión conocido como luminiscencia no ocurre en los metales. Los electronessimplemente son excitados para pasar a niveles superiores de energía de la banda de valenciano totalmente ocupada y, cuando el electrón excitado regresa al nivel inferior de energía, elfotón producido tiene una energía muy pequeña y una longitud de onda superior a la de nuestroespectro de luz visible

En cuanto a reflectividad, en los metales es típicamente del orden de 0.9 a 0.95. Esta altareflectividad es una de las razones por las cuales son opacos, es decir, que no transiten la luz.

En los metales, el coeficiente de absorción tiende a ser grande, particularmente en el espectrode luz visible. Dado que en los metales no hay brecha de energía, cualquier fotón tienen lapotencia suficiente como para excitar un electrón para ocupar un nivel superior de energía,absorbiendo la del fotón excitado

Este capítulo es muy corto comparado con los anteriores. Por favor, repasa lo que hemosacerca de los metales, antes de estudiar la próxima entrega, que trata acerca de los materialescerámicos


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posiciones esquina. Además, existen estructuras hexagonales. Compactas que se caracterizanpor tener cada átomo en una capa situada exactamente arriba o debajo de los intersticios entretres átomos de las capas adyacentes. Así, cada átomo toca tres átomos de capa bajo un plano,seis átomos en su propio plano y tres en la capa superior

Otros patrones cristalinos: No nos extenderemos más en cuanto a otros sistemas de cristales yretículas espaciales de otras estructuras cristalinas, por que los principios son comparables alos citados previamente

Comportamiento Óptico de los cerámicos

En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas de valencia yconducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, producirá fotones dentro delespectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia se observa como dos efectos distintos:fluorescencia y la fosforescencia. En la fluorescencia, todos los electrones excitados vuelven ala banda de valencia y los fotones correspondientes son emitidos una fracción de segundodespués de haberse eliminado el estímulo. Predomina una longitud de onda, que corresponde

a la brecha de energía E g. Los materiales fosforescentes tienen impurezas que introducen unnivel donante dentro de la brecha de energía. Los electrones estimulados bajan primero al nivelde donante y quedan atrapados, por lo que deberán escapar para regresar a la capa devalencia. Esto se traduce en un retardo antes de que los fotones sean emitidos, porquedespués de haber eliminado en estímulo, los electrones capturados por el nivel donanteescapan de forma gradual. La intensidad de esta luminiscencia está dada por

ln I/I0 = t/t

donde t es el tiempo de relajación, que es una constante conocida del material. Después detiempot posterior a la eliminación de la fuente, la intensidad de la luminiscencia disminuirá deI0 a I . Los materiales fosforescentes son muy importantes en la operación de las pantallas de

televisión Debido a la naturaleza tan diversa de este tipo de materiales, es prácticamente imposiblegeneralizar su comportamiento. Por ejemplo, en cuanto a reflectividad, los vidrios típicos estánpróximos a 0.05, lo que, entre otras razones, explica su transparencia; mientras que lasporcelanas comunes, sin ser tan reflejantes como los metales están por arriba de este dato, yson consideradas opacas

Los cerámicos aislantes tienen una brecha de energía muy grande entre las bandas de energíay de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes es menor a la brecha de energía,ningún electrón ganará la suficiente como para escapar de la banda de valencia y , por tanto,no ocurrirá absorción

La transparencia en los vidrios puede verse afectada por dos factores: una pequeña cantidadde porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear una dispersión tal de fotones que elvidrio se vuelve opaco; y los precipitados cristalinos, particularmente aquellos con un índice derefracción muy distinto al material de al matriz, que de igual forma causan dispersión. Así,precipitados o poros más pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de losfotones

Así concluimos este capítulo referente a los cerámicos.


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ejes. La acción centrífuga empuja al polímero contra las paredes del molde, produciendo unaforma delgada

Moldeo por transferencia: Requiere de una cámara doble . El polímero en una de las cámarases calentado a presión. Una vez fundido se inyecta e n la cavidad del dado adyacente. Esteproceso permite que algunas de las ventajas del moldeo por inyección se usen con polímerostermoestables

Espumas: El producto final es un polímero que contiene espacios huecos. Para lograr esto elpolímero se produce en pequeñas bolitas que contienen un agente espumante, que al sercalentado se descompondrá, generando algún gas. Durante este proceso de preexpansión, lasbolitas aumentan de tamaño 50 veces y se hacen huecas. }A continuación, las bolitaspreexpandidas se inyectan dentro de un dado, para fundirlas y unirlas a fin de formar productosexcepcionalmente ligeros

Mecanizado: Muchos plásticos son de fácil mecanización una vez transformados en productosindustriales, de ahí que se pueda tornear, limar, taladrar, etc.,pudiendo obtener la pieza

totalmente mecanizada. Este procedimiento sólo se utiliza si se trata de obtener muy pocaspiezas que no compense el construir el molde

Debido a su versatilidad, los polímeros son muy diversos en cuanto a características y usos. Enel siguiente capítulo los estudiaremos más detallamente


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Capítulo 13: Clasificación de los Materiales. (Polímeros II)

Los plásticos sintéticos de uso más frecuente son

Termoestables: Resinas fenólicas, resinas úricas, resinas melamínicas, resinas epoxi, depoliéster, poliuretanos

Termoplásticos: Polivinílicos, poliestirénicos, poliamidas, policarbonatos, polietilénicos,polimetacrilatos, politetrafluoretilenos, elastómeros

Plásticos termoestables: Endurecen bajo la acción del calor presión, y su endurecimiento esirreversible por haber sufrido una modificación en su estructura química, a nivel molecular, yano se pueden remoldear o ablandar bajo la acción del calor y presión. Los plásticostermoestables son comparables a la arcilla, que una vez endurecida con el calor (cocida), suforma es definitiva

- Resinas Fenólicas

Se obtienen de la combinación del fenol o ácido fénico con formaldehído. Tienen olorcaracterístico ácido fénico perceptible incluso en las piezas obtenidas de ellas, particularmentesi se las calienta. Estas resinas suelen utilizarse mezcladas con cargas de relleno, que mejoranalgunas de sus características físicas, de acuerdo con la naturaleza de las cargas, oscilandoentre lo siguientes valores

- Peso específico oscila entre 1.3 a 1.9 Kg./dm3

- Resistencia Tracción

- Compresión

2.5 a 8.4 Kg. / mm2

7 a 25 Kg. / mm2

- Color oscuro, marrón, negro

- Combustibilidad arde con gran dificultad

- Permeabilidad a la luz transparente a opaco

- Envejecimiento oscurece ligeramente

- Temperatura que soporta 116 °C a 175 °C

- Nombres comerciales Baquelita, Durita, Resiform...

Empleo: Material eléctrico (mangos de interruptores, clavijas, carcasas, cajas diversas, etc.)

- Resina Urica

Tiene como materia básica la úrea sintética y el formaldehído. No da ningún olor, suscaracterísticas físicas son

- Peso específico 1.5 Kg. / dm3


- Compresión

3.45 a 9 Kg. / mm2

17.5 a 26.5 Kg. / mm2

- Color. blanco y colores claros

- Combustibilidad arde con dificultad

- Permeabilidad a la luz opalescente

- Envejecimiento no tiene- Temperatura que soporta 130 °C a 138 °C


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- Nombres comerciales Pollopas, Cellodal, Resimine, Resopla.

Empleo: Material eléctrico (interruptores, clavijas, etc., placas aislantes, artículos de cocina,etc.)

- Resina de melamina

Compuesta principalmente de melamina (obtenida del carburo de calcio y nitrógeno) y elformaldehído. No tiene olor. Sus características físicas son



- Compresión

3.5 a 9 Kg./ mm2

17.5 a 31 Kg. / mm2

- Color claros

- Combustibilidad arde con dificultad

- Permeabilidad a la luz opalescente

- Envejecimiento oscurece ligeramente

- Temperatura que soporta. 130 °C a 210 °C

- Nombres comerciales Novoplay, Ultraplas.

Empleo: Similar a las resinas úricas

- Resinas de poliéster

Se derivan del alquitrán de hulla y del estirol, son incoloros, aunque se pueden colorear avoluntad; se utiliza con cargas de fibra de vidrio, proporcionándole una considerableresistencia. A continuación, sus principales características físicas

- Peso específico. 1.3 Kg. / dm3


- Compresión

4 a 9 Kg. / mm2

9 a 25 Kg. / mm2

- Color cualquier color

- Combustibilidad arde difícilmente, autoextinguiéndose

- Permeabilidad a la luz transparente a opaco.

- Temperatura que soporta 121 °C- Nombres comerciales. Filón, Lamilux.

Empleo: Cascos para embarcaciones, carrocerías de automóviles, placas transparentes paracubiertas, además se utilizan como pinturas muy duras

- Poliuretanos

Son materiales sintéticos que proporcionan productos de gran elasticidad: goma espuma,correas, etc..sEstá formado por un poliéster y un derivado del benzol. Se emplea también comopegamento de metales y como barniz de gran dureza

En la siguiente entrega, expondré lo relativo a los termoplásticos


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Capítulo 14: Clasificación de los Materiales (Polímeros III)

Continuando con el extenso tema de los materiales poliméricos, ahora conoceremos a losmiembros de la familia de los termoplásticos

Plásticos termoplásticos: El calor les da plasticidad y fluidez, así se pueden inyectar a presiónen un molde determinado, adoptando la forma del hueco del molde, se pueden laminar, etc.,pero endurecen tan pronto como se enfríen. Los termoplásticos se pueden remoldear, porconsiguiente pueden aprovecharse las piezas defectuosas, los recortes, etc

Haciendo una analogía, se podrían comparar con la cera, que se endurece con el frío y cuyoendurecimiento no es definitivo, pues con el calor se reblandece y puede ser nuevamentemoldeada

- Cloruro de polivinilo

Cuyos elementos ase con el acetileno y el pacido clorhídrico, no tiene olor y es insípido, siendosus características

- Peso específico 1.35 a 1.55 Kg. / dm3


- Compresión

2 a 6 Kg. / mm2

7 a 9 Kg. / mm2

- Color. todos los colores

- Combustibilidad arde con gran dificultad, autoextinguible


- Envejecimiento Oscurece

- Temperatura que soporta 60 °C a 91 °C

-Nombres comerciales Vinilite, Vinidur, Nipolan...

Empleo: Se utiliza como material duro para carcasas de bombas, válvulas anticorrosivas,tuberías diversas, piezas diversas, resistentes a los productos químicos. En estado blandoencuentra otra serie de aplicaciones: mangueras, cuero artificial, impermeables, etc.

- Poliestireno

Se obtiene del poliestirol, derivado del petróleo y del benzol, siendo sus características



- Compresión

2.8 a 7 Kg. / mm2

7 a 11 Kg. / mm2

- Color cualquier color

- Combustibilidad arde lentamente


- Envejecimiento Oscurece

- Temperatura que soporta 85°C

- Nombres comerciales Lustron, Polistirol, Diplene...


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Empleo: Para fabricar planchas, películas y espumas, en piecería se utiliza para objetos deoficina, bolígrafos, plantillas, escuadras y cartabones

- Poliamidas

Derivan del carbón, no tiene olor ni sabor alguno y posee características mecánicas muynotables, entre las que destaca su resistencia al desgaste y su facilidad de mecanizado. Suscaracterísticas físicas son



- Compresión

4.9 a 7.7 Kg. / mm2

4.9 a 9.2 Kg. / mm2

- Color blanco, lechoso o coloreado

- Combustibilidad autoextinguible

- Permeabilidad a la luz translúcido a opaco

- Envejecimiento decolora ligeramente- Temperatura que soporta 100 °C 200 °C

-Nombres comerciales Nylón y Perlón...

Empleo: Construcción de carcasas, cuerpos de bomba, ventiladores, racords de unión, tapasde instrumentos eléctricos

- Polietilenos

Derivados directos del petróleo. Su aspecto y tacto son cerosos, tiene buena resistencia a losácidos y es buen aislante eléctrico. Las características principales de los polietilenos duros son

- Peso específico. 0.95 Kg. / dm3


-Compresión

2 a 4.5 Kg. / mm2

no aplicable

- Color. cualquier color

- Combustibilidad muy lenta

- Permeabilidad a la luz translúcido a opaco

- Envejecimiento vuelve quebradizo, excepto negro y marrón

- Temperatura que soporta 70 °C

-Nombres comerciales Polytheno, Dylan, Hostalen.

Empleo: Grifería, válvulas y accesorios para conducciones de ácidos, cubos, bidones, ruedasdentadas, mangos de herramientas, etc

- Polimetacrilatos

Se obtienen partiendo del acetileno, se caracteriza por su extraordinaria transparencia , suscaracterísticas físicas más importantes son



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- Resistencia Tracción.

- Compresión

5.6 a 7.5 Kg. / mm2

7.7 a 12 Kg. / mm2

- Color ilimitado

- Combustibilidad arde rápidamente

- Permeabilidad a la luz transparente

- Envejecimiento amarillea muy ligeramente

- Temperatura que soporta 80 °C

-Nombres comerciales. Plexiglás, Perspex, Lucita...

Empleo: Placas transparentes para acristalado de carrocerías, cristales de faros, de relojes,ojos de buey

- Poli-tetrafluoretileno

Es un derivado sintético del acetileno, su principal particularidad es su resistencia a latemperatura y a los ácidos, aspecto en que sólo es comparable con el vidrio, algunas de suscaracterísticas físicas son



- Compresión.

1 a 3.5 Kg. / mm2

1.2 Kg. / mm2

- Color oscuros

- Permeabilidad a la luz oscuros

- Envejecimiento ninguno

- Temperatura que soporta.. 150 °C a 250 °C

-Nombres comerciales Teflón, Fluón, Hostaflón, Algoflón

Empleo: Casquillos sin lubricación, cajas y juntas para bombas, válvulas y grifería, aislamientode cables eléctricos, etc

En nuestro siguiente capítulo daremos por terminado el tema de los polímeros, estudiando loreferente a los elastómeros


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Capítulo 15: Clasificación de los Materiales. (Polímeros IV)

Ahora, la breve información sobre la última familia de polímeros: los elastómeros

Elastómeros: Tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una ligeratransformación de enlaces cruzados entre las cadenas moleculares. Los elastómeros soncapaces de deformarse elásticamente en grandes magnitudes sin cambiar de formapermanentemente

Los elastómeros típicos son polímeros amorfos, no cristalizan fácilmente. Tienen una bajatemperatura de transición vítrea y las cadenas se pueden deformar elásticamente con facilidadal aplicar una fuerza

Elastómeros termoplásticos, no se basan en los enlaces cruzados para producir gran cantidadde deformación elástica. Se comportan como termoplásticos a temperaturas elevadas y comoelastómeros a temperaturas bajas. Este comportamiento permite que se puedan reciclar conmayor facilidad que los elastómeros convencionales

Adhesivos: Son polímeros que se utilizan para unir otros polímeros, metales, materialescerámicos, compuestos o combinaciones de todos los anteriores. Los adhesivos se utilizanpara una diversidad de aplicaciones

Se pueden clasificar en

*Químicamente reactivos: Hay sistemas de un solo componente, formados por una sola resinapolimérica, que se cura por exposición a algún factor: humedad, calor o ausencia de oxígeno.Los sistemas de dos componentes se curan al combinarse dos resinas

*Por evaporación o por difusión: El adhesivo se disuelve y se aplica a las superficies a unir. Alevaporarse el portador, el polímero restante proporciona la unión. Los adhesivos a base deagua son preferidos tanto por la seguridad que representan como desde un punto de vistaecológico. El polímero puede estar totalmente disuelto en agua, o puede estar formado delátex, es decir, como una dispersión estable del polímero en el agua

*De fusión por calor: Son polímeros termoplásticos y elastómeros termoplásticos que funden alcalentarse. Al enfriarse, el polímero se solidifica, uniendo las partes. Sus temperaturas defusión típicas son de aproximadamente 80 a 110 °C, lo que limita su uso a temperaturaselevadas

*Sensibles a la presión: Son principalmente elastómeros o copolímeros de elastómero que seproducen en forma de película o recubrimiento. Requieren presión para adherirse al sustrato y

se utilizan para producir cintas aislantes eléctricas y de empaque, etiquetas, losetas de piso,recubrimientos para muros y películas texturizadas imitación madera

*Conductores: Son polímeros a los que se agrega un material de relleno que proporcioneconductividad eléctrica y térmica, como partículas de plata, cobre o aluminio.

Cuando se desea conductividad eléctrica pero no térmica o viceversa, se puede usar polvo dealúmina, berilia, nitruro de boro o sílice. Además, es posible crear polímeros que tengan buenaconductividad: agregando compuestos iónicos que reducen la resistividad; disipando la cargaestática al usar un relleno de material conductor; o con matrices poliméricas que contenganfibras de carbono o carbono recubierto de níquel, lo que combina rigidez con conductividadmejorada. Algunos polímeros tienen buena conductividad inherente, como resultado de

diversas técnicas de dopado (que consiste en agregar de manera intencional un pequeñonúmero de átomos de impureza en el material) o de proceso


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Con este capítulo corto, finalizamos el estudio de las generalidades de los polímeros. Ennuestra próxima entrega comenzaremos a analizar lo correspondiente a losmateriales semiconductores


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Capítulo 16: Clasificación de los Materiales. (Semiconductores)

El silicio y el germanio son los únicos elementos que tienen aplicaciones prácticas comosemiconductores. Sin embargo, gran variedad de compuestos cerámicos e intermetálicospresentan este mismo efecto

Para facilitar su estudio, los derivados del silicio y el germanio se dividen en semiconductoresintrínsecos y extrínsecos

Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por que su brecha de energíaE g entre lasbandas de valencia y conducción es pequeña, y en consecuencia, algunos electrones poseensuficiente energía térmica como para saltar la brecha, entrando en la banda de conducción. Loselectrones excitados dejan atrás niveles de energía desocupados, o huecos, en la banda devalencia. Cuando un electrón se mueve para llenar un hueco, se crea otro en la fuente originalde este segundo electrón, de forma que los espacios vacío parecen actuar como "electrones"de carga positiva y portadores de carga eléctrica.. Cuando se aplica un voltaje eléctrico almaterial, los electrones de la banda de conducción se aceleran hacia la terminal positiva., en

tanto que los huecos de la banda de valencia se mueven hacia a terminal negativa., Por lotanto se conduce la corriente mediante el movimiento de electrones y de huecos

La conductividad queda determinada por el número de pares electrón hueco

s = neqm e + nhqm h

donde ne es el número de electrones en la banda de conducción,nh es el número de huecosen la banda de valencia ym e y m h son las movilidades de electrones y de huecos. En el casode los conductores intrínsecos

n = ne = nh

Por tanto, la conductividad es

s = neq (m e + m h )

Al controlar la temperatura, se controla el número de portadores de carga por lo mismo, laconductividad eléctrica. En el cero absoluto, todos los electrones están en la banda devalencia, así que todos los niveles de la banda de conducción se hallan desocupados

Conforme aumenta la temperatura, hay mayores probabilidades de que se ocupe un nivel deenergía en la banda de conducción, de forma que existen idénticas probabilidades de que sedesocupe un nivel en la banda de valencia. El número de electrones en la banda deconducción, que es igual al número de huecos en la banda de valencia, está dado por

n = ne = nh = no exp - (E g/2k T)

donde no se puede considerar como constante, aunque de hecho también depende de latemperatura. Temperaturas más elevadas permiten que más electrones crucen la zonaprohibida y, por tanto se incrementa la conductividad

s = neq (m e + m h ) exp - (E g/2k T)

El comportamiento del semiconductor es opuesto al de los metales, ya que conforme aumentala temperatura se incrementa la conductividad, por que están presentes más portadores decarga., en tanto que en el metal la conductividad se reduce, debido a la menor movilidad de susportadores de carga


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Si se retira la fuente de energía o voltaje de excitación, se vuelven a combinar los huecos y loselectrones después de cierto periodo de tiempo. El número de electrones en la banda deconducción se reduce con una rapidez dada por:

n = no exp - (t/t)

donde t es el tiempo después de haber eliminado el campo,no es una constante y t es unaconstante conocida como tiempo de recombinación

En vista de que pequeñas variaciones de temperatura pueden afectar el comportamiento de unsemiconductor intrínseco, se puede agregar una pequeña cantidad de impurezas (dopado),para producir un semiconductor extrínseco. La conductividad de este semiconductor dependeráprincipalmente del número de átomos de impureza (dopantes), y en un rango especifico detemperatura incluso ser independiente de esta

- Semiconductores tipon . Supongamos que agregamos un átomo de antimonio como impurezaal silicio o al germanio. Cuatro de los electrones de valencia del átomo de antimonio participanen el proceso de enlaces covalentes, en tanto que un electrón adicional entra en un nivel deenergía en estado de donación., justo por debajo de la banda de conducción. Dado que esteelectrón no esta fuertemente unido a los átomos, solamente requiere un pequeño aumento deenergía Ed para que el electrón pase a la banda de conducción. (Ed a menudo se define comola diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la banda dedonadores. En este caso, el incremento de energía requerido seríaE g - Ed × ). La brecha deenergía que controla la conductividad pasa a serEd en vez de E g. Cuando los electrones dedonación entran en la banda de conducción, no se crean huecos correspondientes a cada unode ellos

Una pequeña cantidad de semiconducción intrínseca sigue ocurriendo, con algunos electronesque adquirieron la energía suficiente como para saltar el espacioE g. El número total de

portadores de carga esn total =n e(dopante) +n e(intrínseca) +n h(intrínseca)

Conforme aumenta la temperatura, más electrones de donación saltan el espacio Ed hastaque, finalmente todos los electrones de donación están en la banda de conducción. Estosignifica un agotamiento de donadores. La conductividad es casi constante; no hay disponiblesmás electrones de donación y la temperatura sigue siendo demasiado baja para producirmuchos electrones y huecos intrínsecos, sobre todo siE g es grande

- Semiconductores tipop Cuando a un semiconductor se le agrega una impureza como elgalio, que tiene una valencia de tres, no existen suficientes electrones para completar el enlace

covalente. Entonces se crea un hueco en la banda de valencia, que puede llenarse conelectrones de otras posiciones de la banda. Los hueco actúan como aceptantes de electrones

Este sitio con huecos tiene una energía algo mayor que la normal y crea un nivel aceptante deenergía de electrones, justo por encima de la banda de valencia. Un electrón debe ganar unnivel de energía de soloE a a fin de crear un hueco en la banda de valencia. El hueco semueve portando la carga. Finalmente la temperatura subirá lo suficiente como para causar lasaturación de aceptantes

Los compuestos semiconductores (no derivados del silicio o el germanio), pueden ser:

- Semiconductores estequiométricos, que son por lo general compuestos intermetálicos, que

tienes estructuras cristalinas y de banda semejantes a las del silicio y el germanio


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- Semiconductores Imperfectos o no estequiométricos son compuestos iónicos que contienenexceso de iones, sean estos negativos (aniones) produciendo un semiconductor tipop ; opositivos (cationes) obteniendo un tipon

Comportamiento óptico

En los semiconductores, la brecha de energía es menor que la de los aislantes, particularmenteen los semiconductores extrínsecos, que contienen niveles donantes y aceptantes de energía.En los semiconductores intrínsecos, habrá absorción si la energía del fotón excede la brechaEg ; mientras que los fotones de menor potencia serán transmitidos. Así, los semiconductoresson opacos a radiaciones de longitudes de onda corta, pero transparentes a longitudes de ondalarga. Por ejemplo, el silicio y el germanio aparecen opacos a la luz visible para el ojo humano,pero son transparentes a radiaciones infrarrojas de longitudes de onda mayores

Un fenómeno característico de los semiconductores es la fotoconducción, que ocurre si elmaterial es parte de un circuito eléctrico. En este caso, los electrones estimulados producenuna corriente en vez de una emisión. Si la energía de un fotón incidente es suficiente, se

excitará un electrón y pasar` a la banda de conducción, o se creará un hueco en la banda devalencia, y el electrón o el hueco transportarán una carga a través del circuito. La longitud deonda máxima del fotón incidente requerido para que exista fotoconducción está relacionadacon la brecha de energía del material semiconductor

l máx = (hc)/E g

Podemos decir que la foto-conducción es lo inverso a la luminiscencia y a los LED, por queaquí, los fotones producen un voltaje y una corriente, en tanto que en un LED el voltaje producefotones y luz


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Capítulo 17: Clasificación de los Materiales. (Compuestos)

Para finalizar, trataremos brevemente las características generales de los materialescompuestos

Este tipo de materiales se definen básicamente como la unión de dos materiales paraconseguir una combinación de propiedades que no es posible obtener en los materialesoriginales de forma individual. Se clasifican es tres categorías generales

- Particulados. Dentro de estos podemos distinguir dos tipos; los dispersoides, que sonmateriales endurecidos por dispersión y contienen partículas de 10 a 250 nm de diámetro, queaunque no sean coherentes con la matriz, bloquean el movimiento en las dislocaciones yproducen un marcado endurecimiento del material matriz; y los "verdaderos" que contienengrandes cantidades de partículas gruesas, que no bloquean el deslizamiento con eficacia, sondiseñados para obtener propiedades poco usuales, despreciando la resistencia en el material.Ciertas propiedades de un compuesto particulado dependen sólo de sus constituyentes, deforma que se pueden predecir con exactitud mediante la llamada regla de la mezclas, que es la

sumatoria de las propiedades (densidad, dureza, índice de refracción, etc.) por la fracciónvolumétrica del constituyente

- Reforzados con fibras. Por lo general, este tipo de compuestos consiguen mayor resistencia ala fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes yrígidas, aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material matriz transmite alfuerza a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia delcompuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. De formasemejante a los compuestos particulados, al regla de las mezclas predice algunas de suspropiedades

- Laminares. Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras, revestimientosmetálicos, bimetálicos, laminados y todo un conjunto de materiales con aplicacionesespecíficas. Algunos compuestos reforzados con fibras, producidos a partir de cintas o tejidospueden considerarse parcialmente laminares. Gran cantidad de compuestos laminares estándiseñados para mejorar la resistencia a la corrosión conservando un b ajo costo, altaresistencia o bajo peso. Otras características de importancia incluyen resistencia superior aldesgaste o a la abrasión, mejor apariencia estética y algunas características de expansióntérmica poco usuales. Con la regla de las mezclas se pueden estimar algunas de laspropiedades, paralelas a la laminillas de los materiales compuestos laminares. También sepueden calcular con poco margen de error: la densidad y la conductividad eléctrica y térmica

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