Ing. Alejandro Cristóbal Galicia Ponce Tecnología de los materiales. Segundo Semestre 2013-1

UNIDAD I MICROESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

1.1 Soluciones Sólidas Y Fases Intermedias.

Historia de los materiales y su clasificación

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. Como los productos están fabricados a base de materiales, estos se encuentran en cualquier parte

alrededor nuestro. Los más comúnmente encontrados son madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio,

caucho, aluminio, cobre y papel.

La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en productos acabados,

constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los

productos facturados y los procesos necesarios para su fabricación. Puesto que la producción necesita

materiales, los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedad de los materiales, de modo que

sean capaces de seleccionar el más adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los

mejores métodos de procesado.

Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos materiales o para modificar las

propiedades de los ya existentes. Los ingenieros de diseño usan los materiales ya existentes, los modificados o

los nuevos para diseñar o crear nuevos productos y sistemas. Algunas veces el problema surge de modo

inverso: los ingenieros de diseño tienen dificultades en un diseño y requieren que sea creado un nuevo

material por parte de los científicos investigadores e ingenieros.

La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo los ingenieros mecánicos buscan

materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de reacción puedan funcionar más

eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para conseguir que los

dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y temperaturas.

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Tipos de materiales

Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en tres grupos principales:

materiales metálicos

poliméricos

cerámicos

Materiales metálicos.

Estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos,

pudiendo contener también algunos elementos no metálicos, ejemplo de elementos metálicos son hierro cobre,

aluminio, níquel y titanio mientras que como elementos no metálicos podríamos mencionar al carbono.

Materiales cerámicos.

Los materiales de cerámica, como los ladrillos, el vidrio la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasas

conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza son deficientes

en ductilidad, confortabilidad y resistencia al impacto.

Materiales Polímeros.

En estos se incluyen el caucho (el hule) los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando

grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas.

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Sistemas cristalográficos

Los cristalógrafos han demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de celda unidad para crear

todas las redes puntuales. La mayor parte de estos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda

unida básica. A. J. Bravais mostró que catorce celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras

reticulares posibles .Hay cuatro tipos de celdas unidad:

Sencilla

Centrada en el cuerpo

Centrada en las caras

Centrada en la base.

En el sistema cúbico hay tres tipos de celdas unidad:

cúbica sencilla.

cúbica centrada en el cuerpo.

cúbica centrada en las caras.

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1.2 Diagramas De Fases Y De Equilibrio.

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la representación gráfica de las

fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar

el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de

agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que en

termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.

Diagrama de fase binario

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un

caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en

cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden

aparecer las siguientes regiones:

Sólido puro o disolución sólida

Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica)

Diagramas de equilibrio

Los diagramas de equilibrio son gráficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes

concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas. Dichas temperaturas van

desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase liquida hasta la temperatura ambiente y

en que generalmente los materiales están en estado sólido. Existen diferentes diagramas de equilibrio según

los materiales sean totalmente solubles en estado sólido y liquido o sean miscibles a que sean insolubles.

También pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el de los aceros

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que tiene particularidades y donde afecta claramente la concentración y las diferentes cristalizaciones que

puede darse en el hierro estando en estado sólido y a diferentes temperaturas.

1.3 Cerámicas.

Son materiales inorgánicos, no metálicos, procesados a alta temperatura. Hasta hace poco, los materiales

cerámicos más importantes eran los tradicionales, que se componen principalmente de arcilla, sílice y

feldespato. Se utilizan para la fabricación de ladrillos, tejas, etc. Hoy existen unas nuevas cerámicas

orientados a aplicaciones técnicas compuestos generalmente por compuestos puros o casi puros. La industria

de los productos cerámicos es imprescindible para el funcionamiento de otras muchas industrias. En general

los materiales cerámicos son duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad, con alto punto de fusión y bajas

conductividades eléctrica y térmica, y altas resistencia bajo esfuerzos de compresión. Hay cerámicas con

enlaces entre sus átomos de tipo iónico y de tipo covalente. Los primeros (iónico) son compuestos de un metal

con un no metal (generalmente O), mientras que los segundos son compuestos de dos no metales. Aunque los

átomos de muchas cerámicas participan de ambos tipos de enlaces.

1.4. Materiales compuestos.

Un material compuesto es una mezcla de dos o más sustancias insolubles entre sí y que se han fabricado

para que se complementen.

Los primeros materiales compuestos han sido el hormigón y los materiales plásticos reforzados con fibra de

vidrio. Su utilidad radica en la combinación de propiedades que ambos componentes le confieren al

compuesto. Generalmente el material mayoritario se llama matriz y el minoritario reforzante.

Clasificación de los materiales compuestos.

Dependiendo del tamaño del componente minoritario se pueden clasificar en dos grupos: microscópico (que de

acuerdo con su geometría pueden ser de refuerzo continuo “fibras” o discontinuo “partículas”) y macroscópico.

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Dependiendo de la naturaleza de la matriz, los MC pueden ser materiales compuestos de matriz plástica

(PCMP), metálica (MCMM), o cerámica (MCMC).

Propiedades mecánicas.

Se considera, para el estudio, que los MC son reforzados con fibra. Considerando a los de partículas un caso

extremo del anterior.

Módulo elástico de MC reforzados con fibra continúa.

El caso de que el esfuerzo de tracción sea paralela al eje de las fibras la deformación que sufriría la matriz

sería la misma que la de la fibra por lo que se denomina isodeformación. En este caso la tensión y el modulo

elástico soportado por fibra y matriz sería: siendo Vf la fracción de volumen ocupado por las fibras.

Materiales compuestos de matriz metálica (MCMM).

Tienen la ventaja con respecto a los de matriz polimérica que su temperatura de trabajo puede ser mucho

mayor, además de otras ventajas donde pueden amoldarse mejor a ciertas exigencias como pueden ser los

relacionados a conductividades eléctricas o térmicas, etc. Las ventajas que presentan los MCMM respecto a

los metales sin reforzar son que tienen mejor resistencia y rigidez, mejor comportamiento a fluencia y a la

fatiga y menores coeficientes de expansión térmica, siendo sus inconvenientes su elevado coste y complejidad

de procesado. Normalmente el procesado más barato consiste en agregar las partículas de refuerzo a la matriz

fundida, aunque presenta varios inconvenientes relacionados con la homogeneidad y distribución de las

partículas.

La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el

hueso, aparecen en la naturaleza.

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Estructura

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes

partes:

Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir

las propiedades mecánicas del material.

Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas

y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.