Resumen Unidad 1 clasificación de los materiales PDF

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resumen para estudiar la unidad con clasificacion de los materiales...

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INSTITUTO NACIONAL DE MÉXICO SUBDIRECCIÓN ACADÉMICA.

Carrera: INGENIERÍA INDUSTRIAL

Asignatura:

Propiedades de los materiales

Grupo: 2547 D PROFESOR: José Clemente González Rocha

“Resumen en Extenso unidad 1”

Alvarez Campos Karime Noelia 20 marzo de 2021

Clasificación de los materiales

1.1 Generalidades Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos, Generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la tabla periódica de elementos químicos. El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es decir, su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material distinto. En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera un material. En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que, además, pueden ser usados con algún fin específico. Los materiales se clasifican de forma muy general en: •

Metales

•

Cerámicos

•

Polímeros

•

Materiales compuestos

Podemos considerar las propiedades de un material en dos categorías: mecánicas y físicas. Las propiedades mecánicas, que describen la forma en que el material responde a una fuerza aplicada, incluyen resistencia, rigidez y ductilidad. Sin embargo, a menudo estamos interesados en la manera en que se comporta un material, al ser expuesto a un golpe repentino e intenso (impacto), sometido a la aplicación y cargas cíclicas en el tiempo, expuesto a altas temperaturas o sujeto a condiciones abrasivas. Las propiedades mecánicas también determinan la facilidad con la cual se puede deformar un material para llegar a una forma útil. Por ejemplo, una pieza de metal a forjar debe tener alta ductilidad para deformarse hasta la forma apropiada. A menudo cambios estructurales pequeños tienen un efecto profundo sobre las propiedades mecánicas.

1.2. Materiales metálicos Metales en la historia Al igual que la escritura, el descubrimiento de los metales y la forma de procesarlos, Marcan la división entre la edad de piedra y el inicio de las civilizaciones en la llamada “Edad de los metales”. En la edad de cobre (4400 – 3800 a. C.) aparece la metalurgia y minería, comenzado a trabajarse el cobre y el oro, para fabricar armas rústicas como punzones, hachas, puñales, punta de flechas, y ornamentos como anillos y brazaletes. Tras el descubrimiento del bronce, una aleación de nueve partes de cobre y una de estaño se inicia la edad de bronce (a partir del 2800 a. C.).

El comportamiento metálico y las aleaciones A una gran parte de los elementos de la tabla periódica se les puede asociar un Comportamiento metálico de diferentes valores, siendo más alto el de aquellos con Enlaces netamente metálicos. Los metales se caracterizan por ser Buenos conductores térmicos y eléctricos. Todos son sólidos en condiciones naturales excepto el mercurio (Hg) y tienen un brillo característico, denominado brillo metálico que ningún otro tipo de material posee. Los metales, una vez pulidos, reflejan la mayor parte de la luz que les llega, por lo que pueden ser usados como espejos, de hecho, son los materiales más usados para la producción de espejos astronómicos. Las propiedades de las aleaciones están relacionadas con la composición, tamaño, Forma y distribución de sus componentes, tan es así, que la adición de un componente, incluso menos de 1% pueden modificar intensamente las propiedades de dicha aleación. Además de los componentes, el proceso de obtención también es determinante en las propiedades de las aleaciones, por lo que los estudiosos de los metales han construidos experimentalmente diagramas de comportamiento de las aleaciones, denominados diagramas de fase, que permiten determinar las temperaturas y la estructura que tendrá cierta composición de aleación. Estos diagramas se pueden construir para dos (binarios), tres (ternarios) e incluso cuatro elementos (cuaternarios).

Diagrama de fase binario. El eje de las abscisas contiene la composición de

los elementos, a la izquierda se lee 100% de A y a la derecha 100% de B. El eje de las ordenadas es de la temperatura (ºC o K). Dentro del diagrama se marcan las fronteras y las fases contenidas en los intervalos de composición. La ventaja de trabajar aleaciones sobre metales puros son que se pueden reducir las temperaturas de obtención, se pueden mejorar las propiedades de los materiales de origen y con ligeros cambios en la composición o agregando algún otro material en pequeñas cantidades se puede conseguir otra aleación con propiedades diferentes, lo cual abre un abanico de posibilidades en la investigación, estudio y producción de nuevos materiales metálicos.

PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Las propiedades físicas de los metales son aquellas que logran cambiar la materia sin alterar su composición; como ocurre cuando moldeas un trozo de plastilina, sus átomos no se ven alterados de ninguna manera, pero exteriormente cambia su forma. Los metales suelen ser duros y resistentes. Peso específico. • Punto de fusión. • Calor específico. • Calor latente de fusión. • Dilatación y contracción. • Extensión. • Impenetrabilidad. • Divisibilidad. • Inercia. • Resistencia a la oxidación. • Resistencia a la corrosión.

• Aleabilidad. • Pesantez. • Fluencia. • Magnetismo. • Conductividad eléctrica. • Conductividad térmica.

PROPIEDADES MECÁNICAS Las propiedades mecánicas de los metales, son las características inherentes (propias de cada metal), que permiten diferenciar un metal de otro. • Dureza. • Tenacidad. • Fragilidad. • Acritud. • Resistencia. • Resiliencia. • Fatiga. • Elasticidad. • Plasticidad

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS Las propiedades tecnológicas de los metales, es el comportamiento que tienen estos cuando son trabajados y estudiados por los seres humanos. Estas propiedades nos permiten diferenciar un metal de otro y saber si el metal utilizado es el apropiado o no para el fin que va a desempeñar. • Ductilidad. • Maleabilidad. • Colabilida. • Maquinabilidad.

• Soldabilidad. • Templabilidad. • Forjabilidad.

1.2.1 Metales Ferrosos y No Ferrosos No ferrosos Son materiales que no proceden del hierro. Se pueden clasificar según su densidad, en: Metales pesados y ligeros. Algunos metales pesados son: o El Cobre: se obtiene a partir de los minerales cuprita. Usos: cables eléctricos, hilos de telefonía, bobinas de motores, tuberías, calderas, radiadores y también para aplicaciones decorativas, bisutería y artesanía. o El Plomo: se obtiene de la galena y es de color gris plateado, blando y pesado. Los metales ferrosos son los más empleados por: facilidad de obtención, bajo coste materias primas y gran resistencia mecánica. Los inconvenientes de los metales ferrosos son la oxidación, dificultad de mecanizado, elevado punto de fusión y baja conductividad eléctrica y térmica respeto a otros metales. Por esto son necesarios los metales no férricos. Tipos de metales no ferrosos Pesados (más de 5.000 kg/m3) Cobre, Chumbo, Cinc, Estaño, Cromo, Níquel, Mercurio, Volframio, Tantalio... Ligeros (entre 2.000-5.000 kg/m3) Aluminio, Titanio, Litio Ultraligeros (menos de 2.000 kg/m3) Magnesio Propiedades de los metales no ferrosos

Lo cierto es que cada metal no ferroso presenta unas propiedades tan diferenciales, que habría que analizarlos uno a uno. Pese a ello sí que podemos identificar algunas generales que comparten la mayoría de ellos. Por ejemplo, normalmente tienen menor resistencia a la tensión y durabilidad que aquellos metales que sí son considerados ferrosos. En cambio, son mucho más resistentes a la corrosión. Estos metales incluyen cada metal y aleación que no contiene hierro. Una lista corta de metales no ferrosos comunes incluirá: Metales preciosos como plata, platino y oro Cobre y sus aleaciones como bronce y latón Níquel, paladio y platino Titanio Aluminio Estaño, plomo Zinc Materiales ferrosos Cuando los minerales de hierro que se extraen de la corteza terrestre se someten a diferentes procesos a fin de conseguir hierro puro. Además del hierro puro se utilizan también las aleaciones. Una aleación es una mezcla de dos o más elementos químicos, de los cuales al menos uno, el que se encuentre en mayor proporción, es un metal. Las aleaciones de hierro se obtienen añadiendo a este metal carbón. Los metales ferrosos son el hierro y sus aleaciones, el hierro dulce o forjado, el acero y la fundición. Son los más utilizados debido a su bajo coste de extracción y obtención. El hierro es el elemento químico (Fe) que constituye el 5% de la corteza terrestre (2º metal más abundante). No está presente en estado puro sino en combinación con otros elementos en minerales: magnetita, siderita, hematita,…

Su principal inconveniente es que pode oxidarse al reaccionar con el oxígeno del aire o agua degradando el metal hasta provocar su rotura.

1.2.2

PUROS Y ALEACIONES

Materiales puros Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración, los materiales más puros son los que se encuentran en la tabla periódica.

Propiedades físicas *Conductores de la electricidad *Maleabilidad *Ductilidad *Tenacidad *Resistencia mecánica *Suelen ser opacos o de brillo metálico *Alta densidad *Dúctiles y maleables *Punto de fusión alto *Son duros

Propiedades químicas: *Molécula está formada por un átomo *Átomos tienen 1, 2 o 3 electrones que pueden participar en un enlace químico *Al ionizarse adquieren carga eléctrica positiva. *Bajo poder de ionización. *Alto peso específico *Son sólidos excepto los que se encuentran en estado líquido. Aleaciones Aleaciones son la mezcla de un metal principal con otros elementos para mejorar las propiedades físicas y mecánicas del metal puro. Variando la Composición de las aleaciones se puede conseguir un rango de propiedades diferentes para una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, pequeñas cantidades de Berilio en Cu metálico aumenta mucho la dureza y resistencia. Propiedades: Brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales. Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata del mismo material, así por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas: la malla cúbica de cuerpo centrado, la malla cúbica de cara centrada y la malla hexagonal compacta. Los materiales metálicos tienden a ordenarse de forma más compacta, concretamente de 3 maneras: Cúbica centrada en el interior: Es la estructura que tiene el hierro a temperatura ambiente, se conoce como hierro alfa. Tiene

átomos en cada uno de los vértices del cubo que integra a su estructura y un átomo en el centro. También se encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno y el tungsteno. Cúbica centrada en las caras: esta estructura pertenece hierro cuando su temperatura se eleva a aproximadamente a 910ºC, se conoce como hierro gamma. Tiene átomos en los vértices y en cada una de sus caras, su cambio es notado además de por los rayos X por la modificación de sus propiedades eléctricas, por la absorción de calor y por las distancias intermoleculares. A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta estructura de malla.

1.3 Materiales no Metálicos Los materiales no metálicos son los que no tienen en su composición ninguna sustancia metálica. Varían mucho en su apariencia no son lustrosos y por lo general es un mal conductor del calor y la electricidad. Sus puntos de fusión son más bajos que los de los metales Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases, líquidos y sólidos, no tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Se dividen en categorías de interés general para la ingeniería: polímeros (plásticos), cerámicos, compuestos. Propiedades Los no metales se distinguen de los metales en que: 

No suelen ser buenos conductores, ni del calor ni de la electricidad.



Presentan diversos estados de agregación en condiciones normales: sólido (como el azufre), gaseoso (como el hidrógeno) o líquido (como el bromo).



Tienen puntos de fusión muy bajos (en comparación con los metales).



No son brillantes y suelen tener diversos colores.



No son dúctiles ni maleables.



Adquieren siempre carga negativa al ionizarse.



Al combinarse con el oxígeno forman anhídridos (óxidos no metálicos).



Poseen en su última capa (capa de valencia) 4, 5, 6, 7 u 8 electrones.



En su mayoría forman moléculas de dos o más átomos.

1.3.1

ORGANICOS E INORGANICOS

Materiales orgánicos: Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tetracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:  Plásticos  Productos del petróleo  Madera  Papel  Hule  Piel

Ejemplos de materia orgánica Algunos ejemplos comunes de compuestos orgánicos son: 

El benceno y otros hidrocarburos como el gas natural o el petróleo y sus derivados, como la gasolina.



Los azúcares estructurales como la celulosa de las plantas, que sirve de material para formar almidones (como el algodón) o para conformar frutos.



La madera de los árboles es una especie de resina formada paulatinamente a lo largo de la vida de la planta, y que está conformada por diversas planchas de celulosa con lignina.



La seda que segregan las orugas de ciertas mariposas, tejiendo sustancias proteínicas segregadas cuando el momento de la metamorfosis ha llegado.



Los huesos de los animales muertos, incluso los del propio ser humano.

Materiales de origen inorgánico: Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son:  Los minerales  El cemento  La cerámica  El vidrio  El grafito (carbón mineral)

1.3.2

POLIMEROS

Están constituidos por macromoléculas sintéticas o naturales, están formados en su mayor parte por átomos de elementos no metálicos unidos entre sí por enlaces covalentes, se les ha denominado con el nombre genérico de polímeros o macromoléculas debido a que son gigantescas moléculas constituidas por unidades repetitivas.

Los polímeros son materiales que se forman por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros. A pesar de que cuando se habla estos materiales la imagen más recurrente es un envase o una bolsa plástica, la humanidad ha utilizado materiales poliméricos naturales desde hace mucho tiempo. El algodón, la seda, el caucho, el almidón y la celulosa son ejemplo de ello. Además, ahora se sabe que materiales como la la queratina, presente en el cuerpo o la glucosa, sustancia vital para nuestro funcionamiento también polímeros, incluso el formador de genes, el ácido desoxirribubucléico (ADN) es un polímero natural. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen por distintas fuerzas de atracción Intermolecular que dependen de la composición química del polímero (Van der Waals, puente de hidrógeno, dipolodipolo, etc.) Clasificación de los polímeros Los polímeros se pueden clasificar de distintas formas, por su estructura, sus compuestos o su comportamiento mecánico y térmico. De estas dos propiedades se puede hacer la división a polímeros termoplásticos y termoestables (termofijos). Los polímeros termoplásticos son relativamente blandos y dúctiles. La mayoría de los polímetros lineales y los que tienen estructuras ramificadas con cadenas flexibles son termoplásticos. Ejemplo de estos son todo el envasado plástico y piezas pequeñas en aparatos y automóviles.

1.4. Materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos tienen como característica química estar compuestos principalmente por enlaces iónicos y covalentes, que se ordenan en forma específica, dándole al material una estructura cristalina, lo que les proporciona ciertas propiedades distintivas. Son materiales inorgánicos, de baja conducción eléctrica y mecánicamente frágiles. La correcta composición de los polvos constituye un punto fundamental del proceso, para lo que es preciso eliminar totalmente las impurezas y uniformar el tamaño de las partículas. Los procesos más utilizados industrialmente son: La fundición por revestimiento. Una suspensión de arcilla en agua se vierte en un molde. A medida que el contenido de agua en la superficie disminuye, se forma un sólido suave. El líquido sobrante se elimina y la forma hueca se retira del molde. La unión en este punto es arcilla- agua. La conformación plástica en húmedo. Cerámicos más empleados Ladrillos y tejas: fabricados con arcilla de muy diversa calidad, según la zona geográfica de procedencia. Una vez moldeados se secan y cuecen a 900 – 1200ºC, lo que aumenta su resistencia mecánica. Existen muchas calidades y formas según la aplicación deseada. Azulejos y pavimentos cerámicos: hechos con arcillas especiales que, durante su moldeo, se prensan a altas presiones y se revisten de un material (barniz coloreado) que, tras el proceso de cocido presenta una dureza alta. Porcelana y loza: a base de caolín, arcillas blancas, sílice y feldespato finamente pulverizados. La porcelana está totalmente vitrificada tras ser sometida a dos procesos de cocción; sin embargo, la loza sólo presenta su cara externa vitrificada. Poseen una especial resistencia al calor y a agentes químicos por lo que, más que en construcción, se emplean para material de cocina y sanitarios (loza), laboratorio, aislantes eléctricos (porcelana)... Materiales refractarios: Formados por arcillas refractarias, de alto contenido en sílice. Se usan para revestimiento de hornos industriales (altos hornos y convertidores) y otras aplicaciones, donde deben resistir altas temperaturas sin fracturarse. Soportan entre 1400 – 1600ºC. Para temperaturas superiores se añade un aglomerante orgánico.

Los materiales cerámicos tanto cristalinos como no cristalinos son muy frágiles, particularmente a temperaturas bajas. El problema con la factura frágil de los materiales cerámicos se intensifica por la presencia de imperfecciones como pequeñas grietas, porosidad, inclusiones extrañas, fases cristalinas o un tamaño grande de grano, que típicamente se introducen en el proceso de manufactura. Los defectos varían en tamaño, forma y orientación, tanto dentro de un solo componente, como de un componente a otro.

1.5 Materiales compuestos Un materi...