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CIENCIAS DE LOS MATERIALES
1.- LA CIENCIA DE LOS MATERIALES está ligada a la búsqueda de los conocimientos básicos a cerca de los materiales mientras que la ingeniería se fundamenta en el uso de esos conocimientos básicos para la conversión de los mismos en productos necesarios o requeridos por la sociedad. Incluye elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y eléctrica. A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los materiales en los últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez más sofisticados y especializados. 2.- LOS MATERIALES: Son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. 3.- CLASIFICACION DE LOS MATERIALES: Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas. 3.1- METALES: Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad, Suelen ser maleables y dúctiles y a la vez poseen un punto de fusión alto, presentan alta densidad. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades. Aplicaciones: Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga, en medios de transporte modernos para su respectiva fabricación, en conductores, la mayoría de los aparatos modernos son fabricados con metales. El níquel, a causa de su elevada resistencia a la corrosión, sirve para «niquelar» los objetos metálicos, con el fin de protegerlos de la oxidación y de darles un brillo inalterable en la intemperie. 3.2- CERÁMICOS: Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Tienen una amplia gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones críticas es muy limitado. Aplicaciones: son usados a menudo como aislantes, como revestimientos, como recubrimiento de hornos de fundición, sus aplicaciones en condiciones críticas es limitado, se usan materiales cerámicos para fabricar placas cerámicas que cubren las superficies de los transbordadores espaciales, a fin de protegerlas contra el sobrecalentamiento durante el reingreso en la atmósfera terrestre
3.3- POLÍMEROS. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, no son cristalinos, tienen reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas, estos se elaboran mediante un proceso denominado polimerización en el cual se crean grandes moléculas a partir de pequeñas unidades moleculares. Ejemplo: plásticos, Nylon, policloruro de vinilo (PVC), Fibra, poliéster, entre otros. Una materia es plástica, cuando se deforma bajo la acción de una fuerza y conserva la forma adquirida cuando cesa el esfuerzo. Industrialmente, cuando se habla de plásticos, se trata principalmente de materias plásticas sintéticas. Son materiales cuyo principal componente es un producto orgánico de peso molecular elevado (derivados del petróleo, carbón, gas natural, etc.), que en alguna etapa de su fabricación han adquirido la suficiente plasticidad para darles forma y obtener productos industriales tales como tubos, planchas, barras, etc., o piezas terminadas. Aplicaciones: bolsas plásticas, cauchos, tuberías, empacado de alimentos. 3.4- SEMICONDUCTORES. Los semiconductores tienen una importante propiedad eléctrica, de manera que no son ni buenos conductores eléctricos ni buenos aislantes eléctricos. Es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla siguiente. Estos materiales están formados por impurezas que pueden ser donadoras o receptoras, Sus propiedades eléctricas varían debido al movimiento de electrones y cargas positivas. Su capacidad para conducir electricidad es intermedia. El elemento semiconductor más usado es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). 3.5- MATERIALES COMPUESTOS: Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual. En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos que cumplen las siguientes propiedades: Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente. Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una intercara Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia). Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.
4.3- PROPIEDADES QUÍMICAS
Son aquellas propiedades distintivas de las sustancias que se observan cuando reaccionan, es decir, cuando se rompen y/o se forman enlaces químicos entre los átomos, formándose con la misma materia sustancias nuevas distintas de las originales. Las propiedades químicas se manifiestan en los procesos químicos (reacciones químicas), mientras que las propiedades propiamente llamadas propiedades físicas, se manifiestan en los procesos físicos, como el cambio de estado, la deformación, el desplazamiento, etc. 4.4- PROPIEDADES MECÁNICAS: Se definen como la capacidad que tienen los materiales para resistir fuerzas o cargas como por ejemplo: resistencia a los impactos, resistencia al desgaste, entre otros. Elasticidad: la elasticidad es la capacidad de los cuerpos de recuperar su forma original tras una deformación, un cuerpo elástico se deforma cuando se ejerce una fuerza sobre él, pero cuando esa fuerza desaparece, el cuerpo recupera su forma original, la propiedad opuesta a elasticidad es plasticidad, la goma es elástica si se ejerce una fuerza, por ejemplo sobre una pelota de goma, esta se deforma, cuando deja de ejercer la fuerza, la pelota recupera su forma original. Plasticidad: la plasticidad es la propiedad del cuerpo por la que una deformación se hace permanente, si sobre un cuerpo plástico ejercemos una fuerza este se deforma, cuando la fuerza desaparece la deformación permanece, la propiedad opuesta a plasticidad es elasticidad, ejemplo la arcilla fresca es plástica, si se aplica una fuerza sobre ella se deforma, cuando deja de ejercer la fuerza la deformación permanece. Maleabilidad: es la propiedad de la materia, que junto a la ductilidad presentan los cuerpos a ser labrados por deformación. Se diferencia de aquélla en que mientras la ductilidad se refiere a la obtención de hilos, la maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa, teniendo en común que no existe ningún método para cuantificarlas. Dureza: es la resistencia de un cuerpo a ser roto por otro, un cuerpo es tanto más duro cuanto mayor tenga que ser la fuerza que lo rompa, la propiedad opuesta a duro es blando, el diamante es duro porque es difícil de mellar o rayar. Tenacidad: la tenacidad es la resistencia que opone un cuerpo a romperse por un impacto, un cuerpo es tanto más tenaz cuando el choque necesario para romperlo tenga que más fuerte, la propiedad opuesta a tenaz es frágil, ejemplo, la madera es tenaz, dado que es necesario un choque muy violento para romperla. Ductilidad: La ductilidad es la propiedad que presentan algunos metales y aleaciones cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden estirarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. A los metales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles. Fragilidad: es la facilidad con la que un cuerpo se rompe por un choque, es la propiedad opuesta a tenacidad, el vidrio es frágil porque con un pequeño golpe se rompe Muchas de estas propiedades se obtienen mediante la prueba de tracción que consiste en aplicar una carga axial creciente al material hasta provocar la rotura del mismo. 4.- Arreglos Atómicos El arreglo atómico juega un importante papel en la determinación de la microestructura y en el comportamiento de un material solido. Se refiere a la disposición espacial de los átomos en un material.
5.- Niveles de Arreglos Atómicos 5.1.- Sin Orden Este tipo de arreglo atómico se presenta en gases como el argón (Ar, los átomos o los iones no tienen un arreglo ordenado). Los materiales que tienen este tipo de arreglo por lo general llenan todo el espacio que los rodea. 5.2.- Orden de Corto Alcance Un material tiene un orden de corto alcance si el arreglo espacial de sus átomos se extiende solamente a su vecindad inmediata (átomos vecinos). Este tipo de arreglo atómico se presenta en materiales como el agua, algunos polímeros y cerámicos. 5.3.- Orden de Largo Alcance Los átomos o iones de estos materiales forman un patrón regular y repetitivo, semejante a una red en tres dimensiones. Ej.: los metales. 6.- Celdas Unitarias Es la subdivisión de a red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red. Al apilar celdas unitarias idénticas se puede construir toda la red nuevamente. Si bien en muchos casos existen distintas formas para las celdas unitarias de una determinada red el volumen de toda celda unitaria es siempre el mismo. Se identifican 7 sistemas y 14 tipos de celdas unitarias o redes de bravais (August Bravais cristalógrafo francés que dedujo los 14 posibles arreglos de puntos en el espacio). Características de las Celdas Unitarias Empaquetamiento compacto: Esto es cuando los átomos de la celda están en contacto unos con otros. No siempre será así y en muchos casos mediará una distancia mínima entre las nubes electrónicas de los diferentes átomos. Parámetro de red: Es la longitud de los lados de la celda unitaria. Puede haber tan solo uno, dos o hasta tres parámetros de red distintos dependiendo del tipo de red de bravais que tratemos. En las estructuras más comunes se representa con la letra a y con la c en caso de haber dos. A
Algunos tipos de defectos reticulares son: Defectos lineales, también conocidos como dislocaciones Defectos de superficie Defectos puntuales Vacantes Intersticiales Límites de grano Interfaces Los defectos puntuales son imperfecciones en una red cristalina que se clasifican como defectos de dimensión cero. Un ejemplo de defecto puntual es el defecto Schottky, que se produce cuando los átomos o iones se mueven desde el interior del cristal hacia la superficie, generando una posición vacante. Los defectos en una red cristalina se pueden clasificar según su forma y geometría, y se dividen en tres grupos principales: Defectos puntuales o de dimensión cero Defectos de línea o de una dimensión (dislocaciones) Defectos de dos dimensiones, que incluyen superficies externas y superficies límite de grano Las dislocaciones son defectos en la red cristalina de un material, mientras que la celda unitaria se define por las longitudes de sus ejes y los ángulos entre ellos: Dislocaciones Son líneas que interrumpen el ordenamiento de la red cristalina, y se pueden visualizar como la adición de medio plano cristalino a la red. Las dislocaciones son importantes para explicar el comportamiento elástico y la maleabilidad de los metales. Existen diferentes tipos de dislocaciones, como la dislocación de tornillo o helicoidal, que se forma cuando la parte superior de la región frontal del cristal se desliza una unidad atómica a la derecha respecto a la parte inferior. En el contexto de la ciencia de materiales, el sistema de deslizamiento de una celda unitaria es el plano en el que se mueve una dislocación. Los planos de deslizamiento son el resultado de una reflexión y una traslación paralela al plano de reflexión. Los cristales FCC tienen 12 sistemas de deslizamiento, ya que tienen cuatro grupos {111} y tres direcciones <110> en cada uno. Defectos de superficie Los defectos de superficie son imperfecciones que alteran la red, como los bordes de grano. En el conformado de chapa metálica, los defectos superficiales son un problema importante porque afectan la apariencia y la calidad final de la pieza.
Los átomos en los materiales se mueven a través de una serie de movimientos, como la translación, la rotación y la vibración. Además, los átomos se mueven de forma predecible en un proceso llamado difusión, que busca eliminar diferencias de concentración y lograr una composición homogénea. El mecanismo de difusión es el proceso por el que la materia se transporta a través de sí misma, cuando una sustancia se mueve de una zona de alta concentración a otra de baja concentración. La difusión puede ocurrir en sólidos, líquidos y gases, y en sistemas de fluidos estancados o en movimiento. En los sólidos, los átomos se mueven constantemente y pueden saltar de posición si hay espacio libre y tienen suficiente energía de activación. la energía de activación es la cantidad de energía que necesita un átomo para saltar a una nueva posición en la red cristalina. Para que un átomo pueda saltar, debe tener suficiente energía de activación y debe haber un espacio libre en su vecindad. La energía de los átomos aumenta con la temperatura, por lo que a temperaturas por encima del cero absoluto, los átomos oscilan con alta frecuencia. La difusión uniforme se produce cuando las partículas se distribuyen de manera uniforme en todo el volumen. La difusión no uniforme se produce cuando la concentración del soluto, el gradiente y el flujo de difusión varían con el tiempo en el material. Esto puede generar acumulación o agotamiento de las sustancias que se difunden El crecimiento de grano es el aumento de tamaño de los granos (cristalitos) de un material a alta temperatura. Puede producirse por calentamiento del material o durante la recristalización. Ocurre predominantemente en materiales policristalinos en los que la estructura del material implica un ensamblaje de granos orientados aleatoriamente. Desde un punto de vista más científico El crecimiento del grano está impulsado por la reducción de la energía total del sistema. Es un proceso basado en la difusión, por lo que es sensible a la temperatura. En la mayoría de los metales, se produce cuando el material se calienta por encima de la mitad de su temperatura de fusión. El crecimiento del grano influye en las propiedades mecánicas y físicas del material. Por ejemplo, puede alterar la dureza, resistencia y ductilidad del material. Junto con el crecimiento del grano, a menudo te encuentras con dos términos relacionados: tamaño del grano y límite del grano. Ambos desempeñan un papel importante en el crecimiento del grano.
