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LUZ ADRIANA CAAS MENDOZACIENCIA E INGENIERA DE MATERIALES ESCUELA DE TECNOLOGA MECNICA UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE PEREIRA

PARTE I. Introduccin Clasificacin de los materiales Fuerzas interatmicas Tipos de enlace

Los MATERIALES se disean de acuerdo a una APLICACIN ESPECFICA Comportamiento fsico (MECNICO), qumico (CORROSIVO), entre otros.Factores de seleccin de un material: Factibilidad de fabricacin Estabilidad dimensional Compatibilidad con los dems materiales Reciclabilidad Impacto ambiental durante su fabricacin y desecho Costo de fabricacin

Metales

Polmeros

Cermicos

Compsitos

Semiconductores

Cemento y concreto

Vidrios

Micrografia ptica de un latn policristalino. 100X.

MetalesCombinacin de elementos metlicos Gran nmero de electrones libres Muchas propiedades estn relacionadas a esos electrones Buenos conductores elctricos y trmicos; opacos; alta resistencia mecnica, moderada plasticidad y alta tenacidad

Micrografia ptica de transmisin del nitruro de silcio (Si3N4). 750X.

CermicosCombinacin de elementos metlicos y no metlicos (carburos, xidos y nitruros) Cermicas, arcillas, vidrios, vitro-cermicas Aislantes trmicos y elctricos; refractarios; resistentes a medios qumicamente agresivos; muy duras y muy frgiles

Micr r fi

tic

e tr s isi e lietile . 2 .

PolmerosCompuestos orgnicos a base de carbono, hidrgeno y otros elementos. Estructuras moleculares muy grandes (macro-molculas). Plsticos y Cauchos. Poseen baja densidad; materiales bastante flexibles, fcilmente conformables y poco resistentes a las altas temperaturas.

Micrografia ptica de un compuesto reforzado con fibras de vidrio. 1000X

CompuestosConstitudos por ms de un tipo de material. Diseados para presentar las mejores caractersticas de cada uno de los materiales involucrados. Ejemplo: las llamadas fibras de vidro estn constitudas por fibras de un material cermico (vidrio) distribudas en un material polimrico.

Wafer pulida en Si.

SemiconductoresPoseen propiedades elctricas intermedirias de un material conductor e un aislante. Sus propiedades elctricas son extremadamente sensibles a la presencia de impurezas. Utilizados en la industria electrnica para fabricar circuitos integrados.

Fotografia de dos prtesis para implantes quirrgicos.

BiomaterialesUtilizados para recomponer partes del cuerpo humano que fueron daadas por enfermedades o accidentes. Deben ser compatibles con los tejidos humanos, es decir, no pueden liberar sustancias txicas cuando estn en contacto con fluidos o tejidos del cuerpo humano.

Cmo se constituyen los materiales de ingeniera?

Metales

- Ferrosos: Aceros y fundiciones - No ferrosos: Bronces, latones, aluminio, etc.

Cermicos

- xidos: Al2O3, ZrO - Nitruros: Si3N4 - Carburos: WC, TiC, Fe3C - Compuestos complejos - Termofijos: redes polimricas con enlaces cruzados - Termoplsticos: Enredamiento de molculas de alto PM

Polmeros

Cemento y concreto

Compositos - Metal + cermico = Compuesto de matriz metlic o matriz cermica (CERMET) - Cermico 1 + cermico 2 = Composito cermico o cermico reforzado (fibras, hojuelas o partculas) - Vidrio + fibra de cermico = vidrio cermico - Fibra de carbn + resina (TERMOFIJA) - Fibra de polmero + resina (TERMOFIJA)

MATERIAL

tomo (distribucin de electrones)

Arreglo atmico (tipo de enlace, tamao relativo de iones o tomos) Granos (forma y tamao de los granos). BronceC86300(Cu/Sn + Mn de alta resistencia)

Aleaciones multifsicas (tipo, distribucin y cantidad). Composito fibra epoxica/vidrio Dendritas en una aleacin Al-Ti. Fotografa en Almicroscopio electrnico de barrido

MECNICAS

Cmo responde un material al aplicrsele una fuerza o un esfuerzo.

- Resistencia mecnica, ductilidad, rigidez, resistencia al impacto, resistencia a la fatiga, termofluencia y desgaste. - Las propiedades mecnicas influyen en la facilidad con que el material puede ser conformado en un producto.FSICAS

Dependen tanto de la estructura como del procesamiento de los materiales.

- Comportamiento elctronico, magntico, ptico, trmico y elstico.

Genera la forma deseada del componente a partir de un material uniforme METALES Fundicin Soldadura Forjado, trefilado, laminado, doblado Pulvimetalurgia Maquinado POLMEROS - Moldeo por inyeccin - Moldeo rotatorio - Conformado - Extrusin CERMICOS Compactacin Colada en pasta fluida Colado continuo de suspensin Conformado rotatorio de pasta Extrusin Moldeo por inyeccin VIDRIOS - Moldeo por soplo - Extrusin

La mayora de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales, climticos y de condiciones extremas TEMPERATURA Reblandecimiento Degradacin Transformaciones de fases Fragilizacin

Efecto de la temperatura sobre la resistencia mecnica

CORROSIN:Reaccin de un material con el oxgeno u otros gases, particularmente a alta temperatura.

Los lquidos corrosivos tambin atacan a algunos materiales. - Los metales del grupo I y II de la Tabla Peridica reaccionan inmediatamente con el oxgeno - La mayora de los metales ingenieriles son los que se encuentran en la zona de transicin (tienen menor afinidad por el oxgeno: oxidacin muy lenta atemperatura ambiente, pero incrementa con el aumento de T)

La materia est compuesta de tomos que forman los elementos qumicos. El orden de los elementos en la tabla peridica se relaciona con su configuracin electrnica. CONFIGURACIN ELECTRNICA: Cmo se distribuyen los electrones en un tomo. El orden en el que se van llenando los niveles de energa lo podemos tener utilizando la regla de la diagonal: Se sigue la flecha del esquema comenzando en 1s hasta completar los orbitales con los electrones en forma correcta.

Capacidad de cada subnivel: (s = 2e-, p = 6e-, d = 10e- y f = 14e-).

Subniveles

s p d fNiveles de energa

Cmo escribir la configuracin electrnica de un tomo? - Saber el nmero de electrones que tiene: conociendo el nmero atmico (Z) del tomo en la tabla peridica. Z= N electrones (-) = N protones (+) - Ubicar los electrones en cada uno de los niveles de energa, comenzando desde el nivel ms cercano al ncleo (n = 1). Ejemplo:

32 GeGermanio

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

32 GeGermanio

1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

3d10

4s2

4p2

4 Niveles de energa 4 electrones de valencia

ELECTRONES DE VALENCIA

PERIODOS

32 GeGermanio

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2PERIODO

4 Niveles de energa

32 GeGRUPOSGermanio

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2GRUPO

4 Electrones de valencia

EJERCICIOS: Escribir la configuracin electrnica de los siguientes elementos qumicos: a) Magnesio (Mg) b) Azufre (S)

a) Mg : Z = 12 b) S : Z = 16

1s2 2s2 2p6 3s21s2 2s2 2p6 3s2 3p4

VALENCIA

Capacidad para combinarse qumicamente con otros elementos Tendencia a ganar electrones. Ej: a) Na, Cl

ELECTRONEGATIVIDAD

Utilizando sus estructuras (configuraciones) electrnicas compare las electronegatividades del calcio y del bromo.Ca : Z = 20 Br : Z = 35 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5

Cules son los factores que controlan las propiedades de los materiales? La composicin El tipo de enlace La estructura cristalina arreglo de los tomos La temperatura La presin Los tipos de enlace atmico controlan: La temperatura de fusin La densidad La conductividad trmica y elctrica El coeficiente de expansin trmica

TIPOS DE ENLACE

ENLACE PRIMARIO

ENLACE SECUNDARIO

INICO COVALENTE METLICO

VAN DER WAALS PUENTES DE H

ENERGAS DE ENLACE

CARACTERSTICAS DEL ENLACE INICO Involucra transferencia de electrones de un tomo a otro No-direcional Resulta de la atraccin electrosttica entre dos iones de cargas opuestas Se presenta entre los tomos de los primeros y los ltimos elementos de la tabla peridica

Ejemplo: Para el cloruro de sodio NaCl tanto en el catin Na+ NaCl, como el anin Cl-, quedan con los orbitales externos completos.

CARACTERSTICAS DEL ENLACE COVALENTE Se comparten los electrones de valencia de dos tomos adyacentes Es un enlace altamente direcional Se presenta entre tomos cercanos entre s en la tabla peridicaH H

+(1 electrn) (1 electrn) H2

Ejemplo: Unin de dos tomos de hidrgeno para formar una molcula de H

r

(orbital molecular con 2 electrones)

Ejemplo: Esquema del enlace covalente del metano (CH4)

H

C

+

4

H

H

C

H

H

Ejemplo: Molcula de cloro gaseoso Cl2: Cl : Z = 17 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

+

=

Cl

+

Cl

=

Cl Cl

Cl Cl

CARACTERSTICAS DEL ENLACE METLICO Involucra una distribucin compartida de electrones No-direcional Se origina una nube o gas de electrones (nube electrnica) Electrones de valencia deslocalizados: igual probbilidad de estar asociados a cualquiera de los tomos circundantes

Iones metlicos Nube electrnica (gas de electrones libres)

CARACTERSTICAS DEL ENLACE DE VAN DER WAALS

Atracciones generadas por la asimetra de cargas: DIPOLOS. Mecanismo similar al de los enlaces inicos: atraccin de cargas opuestas, pero NO HAY ELECTRONES TRANSFERIDOS. TRANSFERIDOSa) Dipolo Transitorio Cuando dos tomos neutros desarrollan entre ellos una fuerza de enlace dbil gracias a una ligera distorsin en su distribucin de carga.

_

+

_

+

rb) Dipolo Permanente Cuando las energas asociadas al enlace son mayores como en los puentes de hidrgeno donde los tomos de H se convierten en los centro