1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL SIMN RODRGUEZ NCLEO - CANOABO INGENIERA DE ALIMENTOS DIBUJO Y ELEMENTOS DE MAQUINAS. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. Facilitador: Ing. Pedro L. Torres Canoabo, Junio de2010 Participantes: Br.Raquel Castro C.I:17.824.175 T.S.U Gleiza Contreras C.I:14.724.416 T.S.UMara A. ContrerasC.I:16.612.880T.S.U FreddyValeraC.I:16.240.009 T.S.U CarlosRodrguez C.I:13.503.938T.S.U Jos A. ArochaC.I: 13.986.366T.S.UHumberto Torrealba C.I: 16.319.656Br.Jorge Hernndez C.I: 18.499.161 2 INTRODUCCIN Enelpresente trabajo vamosaveragrandesrasgosalgunosconceptosque integranla materia de Tecnologa delos Materiales,loscualesnosservirn para poder tener enclaro algunas ideas que nos servirn para tener una comprensin msclaradedichamateria,asmismonospermitirfamiliarizarnoscon la industria del acero sustratamientosyaplicacionesalaindustriayalavidadiaria, algunosdelosconceptosquetrataremosser:Historia delosmaterialesysu evolucinatravsdeloaaos,veremosqueestohaejercidociertainfluenciaen las sociedades de todo el mundo, veremos la clasificacin de los materiales como son los metales,cermicosylos plsticos,astambinveremoslas propiedades fsicasy qumicasdedichosmaterialesyelcmoconocerlasnospermite trabajar deuna maneramseficienteconellostambinveremoslas estructuras cristalinas,elcmo conocer la estructura interna de los materiales nos permite darles un mejor uso y que puedanserdemejoraprovechamiento,astambinlostratamientostrmicosque dichosmaterialespuedenrecibirconelobjetodedarlesunamayordurabilidady mejor aplicaciones a la industria, otro aspecto que trataremos ser los aceros y como su uso y aplicaciones a lo largo del tiempo ha evolucionado y mejorado, algo que no podra faltar son los enlaces qumicos y como conocerlos nos da ideas sobre el uso y aplicacin de los materiales. ii 3 INDICEGENERAL PAG. INTRODUCCION INDICE GENERAL. INDICE DE FIGURAS INDICE DE GRFICOS. INDICE DE CUADROS 1. Materiales. 1.1 Definicin de ingeniera de los materiales 1.2. Tipos de materiales.......... 1.2.1. Metales y aleaciones. 1.2.2. Cermicos y Vitrocermicos. 1.2.3. Vidrio 1.2.4. Semiconductores 1.2.5. Materiales compuestos 1.2.6. Niveles de estructura interna de los materiales.. 1.2.7. Impacto ambiental 1.2.8. Uso en la industria de los Alimentos ii iii ix xii xiv 15 16 16 18 30 33 35 38 40 43 45 1.3. Clasificacin funcional de los materiales 1.3.1. Aeroespaciales 1.3.2. Biomdicos 1.3.3. Materiales electrnicos 1.3.4. Tecnologa energtica y tecnologa ambiental 1.3.5. Materiales magnticos 1.3.6. Materiales fotnicos u pticos 1.3.7. Materiales inteligentes 1.3.8. Materiales estructurales 47 47 47 48 49 49 51 51 52 1.4. Clasificacin de los materiales con base en su estructura. 1.5. Efectos ambientales y de otra ndole 1.5.1. Temperatura 1.5.2. Corrosin 1.5.3. Fatiga 1.5.4. Rapidez de deformacin 1.6. Diseo y seleccin de materiales 53 56 56 56 57 58 59 2. Propiedades y comportamiento mecnicos 2.1. Importancia tecnolgica 2.2. Terminologa de las propiedades mecnicas 2.3. El ensayo de tensin: Uso del diagrama esfuerzo, deformacin unitaria.. 62 62 65 71 iii 4 2.3.1. Esfuerzos y deformaciones ingenieriles 2.3.2. Unidades PAG. 73 74 2.4. Propiedades obtenidas en el ensayo de tensin 2.4.1. Resistencia decadencia 2.4.2. Resistencia de la tensin 2.4.3. Propiedades elsticas 2.4.4. Tenacidad a la tensin 2.4.5. Ductilidad 2.5. Esfuerzo real y deformacin real 2.6. El ensayo de flexin para materiales frgiles 2.7. Dureza de los materiales 2.8. Efectos de la velocidad de formacin y comportamiento al impacto 2.9. Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto 2.9.1. Temperatura de transicin de dctil a frgil (DBTT), por sussiglas en ingles 2.9.2. Sensibilidad a la muesca.. 2.9.3. Relacin con el diagrama esfuerzo-deformacin. 2.9.4. Uso de las propiedades de impacto.. 75 76 76 78 79 79 80 81 83 86 86 87 88 88 89 2.10. Mecnica de la fractura 3. Propiedades trmicas de los materiales 3.1. Definicin 3.2. Capacidad de calory calor especifico 3.3. Expansin trmica 3.4. Conductividad trmica 3.4.1. Metales 3.4.2. Materiales cermicos 3.4.3. Semiconductores 3.4.4. Polmeros 3.5. Choque trmico 3.5.1. Coeficiente de expansin trmico 3.5.2. Conductividad trmica 3.5.3. Modulo de elasticidad 3.5.4. Esfuerzo a la fractura 3.5.5. Transformacin de fase 89 93 93 94 98 100 102 102 103 108 110 110 116 122 129 137 4. Materiales electrnicos 4.1. Definicin 4.2. Ley de Ohm y conductividad elctrica 4.3. Estructuras de las bombas en slidos.. 4.3.1. Estructuras de las bombas en el magnesio y en otros metales. 4.3.2. Estructuras de las bombas en semiconductores y enen materialesaislantes.. 145 145 146 151 152 152 iv 5 4.4. Conductividad de los materiales y aleaciones 4.4.1. Efecto de la temperatura 4.4.2. Efectos de las imperfecciones a nivel atmico 4.4.3. Efecto del procesamiento y del endurecimiento 4.5. Superconductividad 4.5.1.Qulimitaladensidaddecorrienteenlossuperconductores 4.5.2. Aplicaciones de los semiconductores 4.6. Conductividad de otros materiales 4.6.1. Aplicacin de xidos inicamente conductores. 4.6.2. Conduccin en polmeros 4.7. Semiconductores 4.7.1. Semiconductores extrnsecos 4.7.2. Semiconductores de tipo n 4.7.3. Semiconductores de tipo p 4.7.4. Semiconductores de brecha de energa directa e indirecta 5. Aplicaciones de los semiconductores 5.1. Transistores de unin bipolar 5.2. Transistores de efecto de campo PAG. 153 154 155 155 158 159 160 160 161 161 163 163 164 165 165 166 167 167 6. Aislantes y sus propiedades dielctricas 7. Polarizacin en los materiales dielctricos 7.1. Polarizacin inica 7.2. Polarizacin u orientacin bipolar 7.3. Cargas espaciales 7.4. Dependencia de la frecuencia y la temperatura sobre la constante dielctrica y las prdidas dielctricas 7.5. Dielctricos lineales y no lineales 8. Electrostriccin, piezoelectricidad, piroelectricidad y forroelectricidad 167 168 168 168 169 169 169 170 9. Materiales fotnicos o pticos 9.1. Definicin 9.2. El espectro electromagntico 9.3. Refraccin, reflexin, absorcin y transmisin 9.3.1. Refraccin 9.3.2. Reflexin.. 9.3.3. Absorcin 9.3.4. Transmisin 9.4. Absorcin, transmisin o reflexin selectiva 9.5. Ejemplos y usos de los fenmenos de emisin 9.5.1. Rayos gamas-interacciones nucleares 9.5.2. Rayos X-interacciones en las capas internas de los electroneselectrones 9.5.3. Luminiscencia-interacciones de las capas externasdedeElectrones 171 171 171 172 172 172 172 172 172 173 173 173 173 v 6 9.5.4. Diodos emisores de luz-electroluminiscencia 9.5.5. Laser-amplificacin de la luminiscencia 9.5.6. Emisin trmica 9.6. Sistemas de comunicacin por fibras pticas 9.6.1. Generacin de la seal 9.6.2. Transmisin del haz 9.6.3. Procesamiento de la seal 9.6.4. Recepcin de seal 9.6.5. Materiales de brecha de energa fotnica PAG. 174 174 174 174 175 175 175 176 176 10. Materiales magnticos 10.1. Clasificacin de los materiales magnticos.. 10.2. Dipolos y momentos magnticos 10.3. Magnetizacin, permeabilidad y el campo magntico 10.4. Materiales diamagnticos, paramagnticos, ferromagnticos, ferrimagnticos y superparamagnticos. 10.4.1. Comportamiento diamagntico 10.4.2. Comportamiento paramagntismo 10.4.3. Comportamiento ferromagntismo 10.4.4. Comportamiento antiferrimagntismo 10.4.5. Comportamiento ferrimagntismo 10.4.6. Comportamiento superparamagntismo 10.5. Estructura del dominio y el ciclo de histresis 10.5.1.Movimientodelosdominiosenuncampo magntico.. 10.5.2. Efecto de eliminacin del campo 10.5.3. Efecto de la inversin del campo 10.6. La temperatura de Curie 10.7. Aplicaciones de los materiales magnticos 10.7.1. Materiales magnticos suaves 10.7.2. Materiales para almacenamiento de datos 10.8. Materiales magnticos metlicos y cermicos 10.8.1. Materiales magnticos 10.8.2. Aleaciones de hierro-nquel 10.8.3. Hierro al silicio 10.8.4. Imanes compuestos 10.8.5. Vidrios metlicos 10.8.6. Cinta magntica 10.8.7.Aleacionesmetlicascomplejasparaimanes permanentes 10.8.8. Materiales cermicos ferrimagnticos 10.8.9. Magnetostriccin 176 177 178 180 181 181 184 184 186 188 188 189 192 194 194 194 195 196 196 199 199 201 203 203 204 205 205 205 206 vi 7 PAG. 11. Aleaciones ferrosas 11.1. Designaciones y clasificacin de los aceros 11.1.2. Designaciones 11.1.3. Clasificaciones 11.2. Tratamientos trmicos simples 11.2.1.Recocidodeprocesoodeeliminacindeltrabajoenfrio.. 11.2.2.Recocidoynormalizado,seguidopor endurecimientopordispersin. .. 11.2.3.Recocidodeesferoidizacinymejoraenla maquinabilidad 11.3. Tratamientos trmicos isotrmicos 11.3.1. Bainitizado y recocido isotrmico 11.3.2. Efectos de los cambios en la concentracin de carbono sobre eldiagrama TTT 11.4. Tratamientos trmicos de templado y revenido 11.4.1. Austenita retenida 11.4.2. Esfuerzos residuales y agrietamientos 11.5. Efectos de los elementos de aleacin 11.6. Aplicacin de la templabilidad 11.7. Acero especiales.11.8. Tratamientos superficiales 210 211 211 211 212 213 213 213 214 216 216 216 216 217 227 228 228 230 12. Polmeros 12.1. Estructuras y propiedades de los polmeros 12.2. Propiedades mecnicas 12.2.1. Ensayos de corta duracin 12.2.3. Ensayos de larga duracin 12.3. Propiedades trmicas 12.3.1Calor especifico 12.3.2 Tiempos de calentamiento y de enfriamiento 12.4. Resistencia a la incandescencia. 12.4.1. Termo gravimetra 12.4.2. Anlisis trmico diferencial. (DTA) 12.4.3. Calorimetra diferencial. (DSC) 12.5. Propiedades elctricas 12.6. Resistividad de volumen 12.7. Resistividad superficial 12.8. Resistividad de aislamiento 12.9. Huella conductora 12.10. Impacto ambiente 12.11. Uso en la industria de los Alimentos 231 243 244 246 246 246 246 246 247 247 247 247 248 249 250 250 250 250 251 vii 8 PAG. 13.Nanomateriales13.1. Utilidad de los nanomateriales 13.2. Tipos de nanomateriales 13.3. Impacto ambiental 13.4. Uso en la industria de los Alimentos 255 256 257 259 260 viii 9 INDICEDEFIGURAS PAG. 1. 2. Tipos de materiales Vidrio 16 34 3.Propiedades del vidrio comn...34 3Estructura cristalina41 4-5.Asociacin de dos celdas vecinas en un diagrama simple y en una maqueta 42 6.Micrografa obtenida con un microscopio electrnico, donde se aprecian granos y sus fronteras 42 7.Metalografa con granos de acero ampliada 175 veces...43 8.Microscopio metalogrfico...43 9-10.Impacto ambientaly reciclaje de vidrio...44 11.Materiales electrnicos. 44 12.Materiales inteligentes. 48 13.Clasificacin de los materiales con base en su estructura. ..52 14.El hormign armado. 53 15.Estructuras de acero..54 16.Mampostera.54 17.Estructuras de madera55 18.Membranas Textiles..55 19.Estructuras de aluminio56 20.Corrosin.56 21.Falla por fatiga.57 22.Ensayo de tensin.58 23.Resistencia de la tensin. 72 24.Ensayo de flexin para materiales frgiles. 77 25.Durmetro Rockwell. 83 26.Nanopenetracin de pelcula de carbono tipo diamante( a nanoescala). . 85 27.Efectos de la velocidad de formacin y comportamiento al impacto...85 28.Mecnica de la fractura.86 29.Dependencia de la conductividad trmica contemperatura para varios materiales cermicos. 91 30.Dilatacin lineal103 31.La dilatacin superficial113 32.Dilatacin en volumen113 33.Bloque de cinc movible sobre la barra115 34.Medicin empleando geometra esfrica116 35.Dispositivo para la medicin de la conductividad trmica de materiales aislantes a muy bajas temperaturas. 118 36.Dispositivo de placa plana para la medicin de la conductividad trmica. 120 124 ix 10 PAG 37.Mdulo de elasticidad..124 38.Esfuerzo a la Fractura130 39.Esfuerzo de traccin.131 40.Esfuerzo Cortantes o tangenciales131 41.esfuerzo cortante..132 42.Clasificacin de los materiales electrnicos146 43.Niveles de energa se ensanchados conforme se incrementan el numero de electrones agrupados. 151 44.Movimiento de un electrn a travs de: (a) un cristal perfecto, (b) un cristal calentado a una temperatura elevada y (c) un cristal con defectos a nivel atmico. 154 45.Efecto del endurecimiento por solucin solida y por trabajoen frio sobre la conductividad elctrica del cobre (b) Efectos de agregar elementos seleccionados sobre la conductividad elctrica del cobre 156 46.Superconductividad...159 47.Circuitos electrnicos utilizando materiales superconductores160 48.Conductores Inicos.161 49.Efectos de las fibras de Carbono en la resistividad elctrica del nylon163 50.Dopaje de tipo N..164 51.Dopaje de tipo P.165 52.Semiconductores 170 53.Esquema del electroimn Bitter usado por Berry y Geim para realizar experimentos de levitacin diamagntica 183 54.Esquema de la estructura1 del hierro (BCC - cbica de cuerpo centrado). 185 55.Representacin de espines opuestos de tomos iguales adyacentes.187 56.Estructura del fluoruro de magnesio (MnF)187 57.Representacin de espines opuestos de tomos diferentes adyacentes188 58.Estructura de la magnetita (Fe3O4).188 59.Disco magntico mediante el uso de una cabeza electromagntica.204 60.La informacin se puede almacenar o recuperar de un Disco magntico mediante el uso de una cabeza electromagntica 208 61.Momentos magnticos dentro una partcula.210 62.Como ejemplo, el diagrama muestra las curvas caractersticas de desmagnetizacin de varios compuestos de ferrita cermica 213 312 63.Grano en el proceso de nucleacion214 64.Endurecimiento superficial mediante un calentamiento localizado. (b) Solamente se calienta la superficie por encima de la temperatura A1 y se templa para producir martensita.. 225 225 65.Recocidoynormalizado,seguidoporendurecimientopor dispersin.. 225 231 x 11 PAG. 66.Microestructura de la esferoidita, con partculas de Fe3C en una matriz de ferrita. 231 67.Austenita retenida(blanco) atrapada entre la martensita (negro) (1000x) .. 231 68.Formacin de grietas de temple causadas por esfuerzos residuales producidos durante este tratamiento.. 243 69.Diagrama TEC para un acero de baja aleacin 0,2% C256 70.Estructuras y propiedades de los polmeros..260 xi 12 INDICEDE GRFICOS NPAG. 1.Etapas para la preparacin de las probetas vitrocermicas..33 2.Rapidez de deformacin. ........59 3.Terminologa de las propiedades mecnicas....68 4.Velocidad de deformacin cortante......69 5.Forma cualitativa las curvas de esfuerzo deformacin unitarias normales para (a) un metal, (b) un material termoplstico, (c) un elastmero, y (d) cermicos (o vidrios) .... 72 6.Esfuerzos y deformaciones ingenieriles. ....74 7.Resistencia decadencia. ........76 8.Propiedades elsticas. ..........79 9.Esfuerzo real y deformacin real. ......81 10.Esfuerzo real y deformacin real. ......83 11.ensayo de flexin para materiales frgiles. ....87 12.Ensayos de impacto efectuadas en nylon a distintas temperaturas87 13.Temperatura de de transicin de dctil a frgil....89 14.Relacin con el diagrama esfuerzo-deformacin. ..92 15.Mecnica de la fractura. ........95 16.Temperatura con la capacidad calrica a volumen constante; uD es la temperatura de Debye. ........ 99 17.Energa potencial versus distancia interatmica, demostrando el incremento en la separacin contemperatura de equilibrio.. 105 18.Conductividad trmica en funcin de la temperatura para un semiconductor tpico, como el silicio. .... 106 19.Dependencia de la conductividad trmica en funcin de la temperatura normalizada con respecto a la temperatura de fundicin para varios semiconductores. ........ 107 20.Dependencia de la conductividad trmica en funcin de la temperatura normalizada con respecto al punto de fundicin para el diamante y varias muestras policristalinas de xidos. .... 122 21.Mdulo de Young........123 22.Determinacin del lmite elstico convencional....126 23.Curva de deformacin unitaria......127 24.Comportamiento del esfuerzo - deformacin unitaria del caucho.128 25.Medida del mdulo de elasticidad..128 26.Mdulo de elasticidad: Arcos proporcionales a los radios.130 27.Esfuerzos Normales133 28.Relacin lineal entre el esfuerzo y la deformacin unitaria en una barra sometida 136 29.Factor de seguridad 139 xii 13 PAG. 30.diferencia de la temperatura de templado sobre el modulo de ruptura del sialn. 139 31.La resistencia al choque trmico del material cermico.141 32.Comportamiento de la ruptura por stress en aire en 1200 C para la cermica estructural de SiC: Por presin en caliente, enlazado por reaccin, alfa sinterizado y beta sinterizado.. 142 33.Difusividad trmica de la cermica estructural silicio-basada: (a) SiC enlazado por reaccin; (b) SiC por presin en caliente y sinterizado; (c) Si3N4 por presin en caliente (MgO del 1%, el 8% Y2O3); (d) RS-Si3N4 (la densidad es 2.1-2.9 g/mL)... 190 34.Curva general de histeresis.191 35.Curva de magnetizacin de los materiales ferromagnticos...192 36.Curva de histresis magntica.193 37.Los momentos magnticos en los tomos adyacentes cambian de direccin continuamente atreves del lmite o frontera entre dominios 195 38.Efecto de la temperatura sobre el ciclo de histresis.195 39.Efecto de la temperatura sobre la remanencia....199 40.El rectngulo ms grande que quepa en los cuadrantes segundo o cuarto de la curva B-H es el que da el mximo producto o potencia (BH) mx. ......... 201 41.Curvas de desmagnetizacin de distintas variantes de Alnico. 207 42.Tratamientos trmicos isotrmicos......209 43.Tratamiento trmico de bainitizado y de recocido isotrmico en un acero 1080.......... 215 44.Diagrama TTT para un acero 1050......220 45.Diagrama TTT para un acero 10110......222 46.Interrumpir el tratamiento trmicoisotrmico en un acero 1050, se producen microestructuras complicadas. .... 47.Efecto de la temperatura de revenido sobre las propiedades mecnicas de un acero. 222 48.El diagrama de TEC (lneas continuas) para un acero de 1080 comparado con el diagrama de TTT (lneas punteadas) . 223 49.Diagrama TEC para un acero de baja aleacin 0,2% C. 224 50.Composicin qumica de los acerosinoxidables..227 xiii 14 INDICE DE CUADROS PAG. 1.Porcentaje de contenido en carbono..20 2.Intervalos de composicin frecuentes en los vidrios comunes34 3.Clasificacin de los Materiales Magnticos50 4.Propiedades de los materiales limitantes del diseo61 5.Lista de calores especficos de varias sustancias. 97 6.Conductividades trmicas de diversos materiales en W/ (K m) 101 7.Coeficientes de dilatacin lineal (por coda grado de temperatura y centmetro de longitud. 111 8.Mdulo de Young, Y 1010 N/m2125 9.Caractersticas de la cermica del carburo del silicio140 10.Conductividad Elctrica de materiales seleccionados a T = 300K. 148 11.Algunas relaciones, constante s y unidades de utilidad. 150 12.Efecto de la aleacin, del endurecimiento y del proceso en la conductividad elctrica del cobre y sus aleaciones. 157 13.Giros propios (espines) de electrones del nivel de energa 3d en los metales de transicin. 179 14.Temperaturas de Curie de algunos materiales ferromagnticos elementales y aleaciones 186 15.Temperatura de Neel de varios compuestos187 16.Materiales comunes para el registro magntico y sus propiedades. 197 17.Resinas Fenlicas: 235 18.Resina rica: .236 19.Resina de melanina: ..236 20.Resinas de polister: ..237 21.Cloruro de polivinilo:..238 22.Poliestireno: ..238 23.Poliamidas: 239 24.Polietilenos: ..240 25.Polimetacrilatos: 240 26.Poli-tetrafluoretileno: ..241 27.Uso en la industria de los Alimentos. 241 xiv 15 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 1. MaterialesLosmaterialessonlassustanciasquecomponencualquiercosa o producto .Desde el comienzo de la civilizacin, los materiales junto con la energa hansidoutilizadospor elhombre paramejorarsuniveldevida.Como los productos estnfabricadosa base demateriales,estosseencuentranencualquier parte alrededor nuestro.Los ms comnmente encontrados:-Metales y aleaciones. -Cermicos,vidriosy vitrocermicos. -Polmeros (Plsticos). -Semiconductores. -Materiales compuestos. Existenmuchosmstiposdematerialesyunosolotienequemirarasualrededor para darse cuenta de ello. La produccin denuevosmaterialesyelprocesadodeestoshastaconvertirlosen productosacabados,constituyenunaparteimportantedenuestraeconoma actual.Los ingenieros disean la mayora de los productos facturados y los procesos necesarios para su fabricacin. Puesto que la produccin necesita materiales, los ingenieros deben conocer de laestructurainternay propiedad delosmateriales,demodoqueseancapacesde seleccionarelmsadecuadoparacadaaplicacinytambincapacesdedesarrollarlos mejores mtodos de procesado. Laingenieraespecializadaeninvestigacintrabajaparacrearnuevosmaterialeso paramodificarlaspropiedadesdelosyaexistentes.Losingenierosde diseo usanlos materialesyaexistentes,losmodificadosolosnuevosparadisearocrearnuevos productosy sistemas .Labsquedadenuevosmaterialesprogresacontinuamente.Por ejemplo los ingenierosmecnicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo que 16 los motores dereaccinpuedanfuncionarmseficientemente.Losingenieroselctricos procuranencontrarnuevosmaterialesparaconseguirquelosdispositivoselectrnicos puedan operar a mayores velocidades y temperaturas. 1.1 Definicin de ingeniera de los materiales. La ingeniera de materiales, interviene directamente en asuntos relacionados con laduracin,costo,confiabilidad,responsabilidadeimpactoambientaldelproducto, comopartedelaseleccindematerialesyprocesos.Laseleccindelmaterialydel proceso de fabricacin es una parte importante en el proceso de diseo. Por tal motivo, unprocesodediseoeficiente,debetomarencuentalaseleccinsimultneade materialyprocesodefabricacin,ylosdetallesgeomtricosydeltamaodelaparte. Este mtodo se llama ingeniera concurrente, y est ganando aceptacin rpidamente. 1.2. Tipos de materiales. Fig.#1 17 Losmaterialesseclasificangeneralmente encincogrupos:metales,cermicos, polmeros, semiconductoresy materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseenestructurasy propiedades distintas. Metales. Tienencomocaractersticaunabuenaconductividadelctricaytrmica,altaresistencia,rigidez,ductilidad. Sonparticularmentetilesenaplicaciones estructuralesodecarga.Lasaleaciones(combinacionesdemetales)conceden algunapropiedadparticularmentedeseableenmayorproporcinopermitenuna mejor combinacin de propiedades. Cermicos. Tienenbajaconductividadelctricaytrmicaysonusadosamenudo como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frgiles y quebradizos. Nuevas tcnicas deprocesosconsiguenqueloscermicosseanlosuficientementeresistentesala fracturaparaquepuedanserutilizadosenaplicacionesdecarga.Dentrodeeste grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos. Vidrio.Esunmaterialamorfoyseobtieneconfrecuencia,peronosiempre,dela slicefundida.Eltrminoamorfoseaplicaamaterialesquenotienenarreglo regular y peridico de sus tomos. Polmeros. Songrandesestructurasmolecularescreadasapartirdemolculas orgnicas.Tienenbajaconductividadelctricaytrmica,reducidaresistenciay debeevitarse su uso a temperaturas elevadas.Los polmeros termoplsticos, en los quelascadenasmolecularesnoestnconectadasdemanerargida,tienenbuena ductibilidadyconformabilidad;encambio,lospolmerostermoestablessonms resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen ms frgiles. Tienen mltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos electrnicos. Semiconductores. Suconductividadelctricapuedecontrolarseparasuusoen dispositivos electrnicos. Son muy frgiles. Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, estn formados a partir de dos o ms materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual. 18 1.2.1. Metales y aleaciones. Metales:Acero. Es una aleacin de hierro y carbono, que puede contener otros elementos, en la que elcontenidodecarbonooscilaentre0.1a1.7%,norebasaellmitedesusaturacinal solidificar quedando todo l en solucin slida. Elcarbonoeselelementoprincipalquemodificalascaractersticasmecnicasdel acero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores sern la resistencia y la dureza del acero, pero tambin ser ms frgil y menos dctil. Clasificacin de los aceros; El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los aceros en las siguientes series: F-100 Aceros finos de construccin general. F-200 Aceros para usos especiales. F-300 Aceros resistentes a la corrosin y oxidacin. 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 fcil mecanizado. Grupo F-220 Aceros de fcil soldadura. Grupo F-230 Aceros con propiedades magnticas. 19 Grupo F-240 Aceros de alta y baja dilatacin Grupo F-250 Aceros de resistencia a la fluencia. Grupo F-410 Aceros de alta resistencia. Grupo F-420 "" Grupo F-430 Aceros para cementar. Grupo F-510 Aceros al carbono para herramientas. Grupo F-520 Aceros aleados. Grupo F-530 " " Grupo F-540 " " Grupo F-550 Aceros rpidos. Grupo F-610 Aceros Bessemer. Grupo F-620 Aceros Siemens. Grupo F-630 Aceros para usos particulares. Grupo F-640 "" Formas comerciales del acero; Elaceroqueseempleaparalaconstruccinmecnicaymetlicatienetresformas usuales: barras, perfiles y palastros. Barras. Se obtienen en laminacin y trefilado en hileras pudiendo obtener secciones de las siguientes formas: Pletinas. Cuando el espesor es igual o menor de la dcimaparte del ancho de la seccin. Cuando el espesor es ms delgado, se llaman flejes. -Media caa o pasamanos. -Tringulo -Cuadrado -Hexgonoy120mm.Elacero dulce con d 5 y grandes-RedondoPerfiles.Seobtienenporlaminacin,siendosulongitudde4a12m.losmscorrientes son: -Doble T Utilizadas como vigas las hay hasta de 600 mm de altura. -UForma vigas compuestas. Hasta 300mm de altura 20 Aceros: composicin qumica. Enelacero,ademsdehierroycarbonocomoelementosfundamentales, intervienen elementos accidentales, entre ellos elazufrey elfsforo, quedada su afinidad conelacero,sondifcilesdeeliminar,noobstantesereducenaproporcionesinofensivas(>qD),lacontribucinala conductividad por parte de los electrones resulta ser importante (~40% ). (Glassbrenner&Slack,1964;Fulkersonetal. 1968).Enlagrfica18,semuestralaconductividadtrmicaenfuncindela temperaturaparaunsemiconductortpico,comoelsilicio.Tambinseresaltanlas cuatro regiones caractersticas de diferentes regmenes de conductividad trmica, que a su vezy a diferencia de los metales, son caracterizados por diferentes mecanismos de dispersin. 105 Grafica.(17Supuesto.)Dependenciadelaconductividadtrmicaconla temperatura en el silicio. TF( ~1687 K),uD (~645 K) y Kmin son la temperatura de fundicin,latemperaturadeDebyeyelvalormnimodelaconductividad trmica, respectivamente (Fernndez et al. 2006). EnlareginI,laconductividadtrmicaesdeterminadaporlasdimensiones fsicas del material, el tamao del grano y el espaciamiento entre dislocaciones. En la reginIIsereducenlascontribucionesporefectodeltamaodelosgranos, dislocacionesyporfaltadearmona(anarmonia)enlared.ElpicoenlareginII usualmenteocurreaunatemperatura~uD/20.Atemperaturasporencimadeeste pico, en la regin III, la falta de armona (anarmonia) de los fonones comienza a ser significativadisminuyendolaconductividadtrmicadeformatalquesehace proporcional al inverso de ( k T-1). Finalmente, en la regin IV el comportamiento delaconductividadtrmicaesdebidoafononescuyocaminolibremedioesdel orden de un espaciamiento interatmico y la conductividad se hace independiente de la temperatura (Fernndez et al. 2006). 106 Enlagrfica18,seobservaladependenciadelaconductividadtrmicaen funcindelatemperaturanormalizadaconrespectoalatemperaturadefundicin para varios semiconductores. Grfica(N18Supuesto.)Conductividadtrmicaenfuncindela temperaturanormalizadaconrespectoalpuntodefundicindealgunos semiconductores.Datostomadosde:Ge,Si,(Glassbrenner&Slack,1962); GaSb, GaAs (Srivastava, 1990); ZnS; ZnSe, (Slack, 1972). En semiconductores y dielctricos la principal contribucin a la conductividad trmicaesdebidoafonones.Aaltastemperaturasseobservaquelaconductividad disminuyedebidoalainteraccinfonn-fonnyprocesosdemltiplesfonones.La grficamuestraladependenciadelaconductividadtrmicaenfuncindela temperatura normalizada con respecto al punto de fundicin para el diamante y varias muestras policristalinas de xidos. Grfica# 18 107 Grafica. (N 19 Supuesto.) Conductividad trmica en funcin dela temperatura normalizadaconrespectoalpuntodefundicin.Datostomadosde:Diamante (Olsonetal.1993;Phillpot&McGauhey;2005);muestraspolicristalinasde xidos ( Clarke, 2003;Phillpot & McGauhey; 2005). Mientras que los materiales cristalinos y, en menor medida, los semicristalinos presentanunpatrnregularyrepetitivodetomosoionesformadodeestructuras tridimensionales peridicas, los materiales amorfos no tienen orden de largo alcance o estructura cristalina, es decir, no tienen un ordenamiento peridico. Nuestrapreocupacinprincipalesdescribiryexplicaralgunaspropiedades importantesdelosslidosamorfos,actualmenteelintersenestecampoesla bsquedadenuevosmaterialesparalaelaboracindebarrerastrmicas.A continuacinsediscuteelcomportamientodelaconductividadtrmicaenestos materiales. Grafica# 19 108 3.4.4. Polmeros Paralamayoradelospolmeroslasconductividadessonbajas.Paraellosla transferencia de energa se lleva a cabo por la vibraciny rotacin de las cadenas de molculas.Lamagnituddelaconductividadtrmicadependedelgradode cristalinidad.Unpolmeroaltamentecristalinoyordenadoestructuralmentetendr mayor conductividad que el equivalente material amorfo. Debidoasubajaconductividadtrmica,lospolmerosseutilizancomo aisladores.Ascomoenloscermicossuspropiedadesaislantessepueden incrementarporlaintroduccindepequeosporosqueseintroducengeneralmente por espumantes durante la polimerizacin. Esfuerzos trmicos tensiones. Lastensionestrmicassontensionesinducidasenuncuerpocomoresultado de cambios en la Temperatura.Tensiones resultantes de la expansin y contraccin trmicas confinadas: Considrese unavarilladeunslidohomogneoeIsotrpicoquesecalientaoenfra uniformemente.Siporejemploelmovimientoaxialdelavarilla,serestringepor extremosrgidos,sernintroducidastensionestrmicas.Lamagnituddeesatensin que resulta de un de T. o= Eal (To-Tf) = Eal T E: Modulo de elasticidad. al: Coeficiente deformacin lineal. T: (To-Tf) SioesTo)latensines comprensiva. Si el espcimen se enfra Tf 0 se genera un esfuerzo de tensin. 109 Esfuerzos resultantes de Gradientes de Temperatura Cuando un slido se calienta enfra la distribucin interna de la Temperatura depender de su tamao y forma, la conductividad trmica del material y la velocidad delcambiodeTemperatura.Losesfuerzostrmicossepuedenestablecercomo resultadodegradientesdeTemperaturaatravsdelcuerpo,lascualesson frecuentemente causados por calentamiento rpido enfriamiento rpido en el que la Temperatura cambia mas rpidamente afuera que adentro del material. Por ejemplo, bajo calentamiento, el exterior de un espcimen es mas caliente y por lo tanto, se expandir mas que en el interior, por lo que la superficie del material esta sometido a un tipo de esfuerzos y el interior a otro tipo. Choque trmico de Materiales Frgiles. Paramaterialesdctilesypolmeroslamitigacindeesfuerzosinducidos trmicamentepuedeestaracompaadadedeformacinplstica.Sinembargo,lano ductilidad de la mayora de los cermicos aumenta la posibilidad de fractura frgil por estos esfuerzos pudiendo dar lugar a la formacin de grietas a la propagacin de las mismas a travs de material. La capacidad de un material de soportar esta clase de falla se llama resistencia alchoquetrmico.Parauncuerpocermicoqueesrpidamenteenfriado,la resistenciaalchoquetrmicodependenosolodelamagnituddelcambiodela Temperaturasinotambindelaspropiedadesmecnicasytrmicasdelmaterial.La resistencia al choque trmico es mejor para cermicos que tienen alta resistencia a la fracturaofyaltaconductividadtrmicaascomobajomodulodeelasticidadybajo coeficiente de expansin trmica. 110 3.5. Choque trmico. Falladeunmaterialcausadaporlosesfuerzosintroducidosporcambios bruscos (o repentinos) de la temperatura. oEn una barra con extremos rgidos:= o(Tf> T0)= oA -donde E es el mdulo de elasticidad. -Al calentar (Tf> T0):