GENERALIDADES DE LOS MATERIALES PDF

GENERALIDADES DE LOS MATERIALES Materia: todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio. Materiales: - ‘Sólido útil con un alto valor añadido’ - ‘Sustancias que poseen las propiedades para ser útiles en máquinas, estructuras, componentes y productos’ - ‘La materia empleada por el...

GENERALIDADES DE LOS MATERIALES Materia: todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio. Materiales: - ‘Sólido útil con un alto valor añadido’ - ‘Sustancias que poseen las propiedades para ser útiles en máquinas, estructuras, componentes y productos’ - ‘La materia empleada por el hombre para crear estructuras, vehículos, máquinas componentes, obras de arte y otros objetos’. - ‘Materia física que es manipulada y empleada por el hombre, generalmente sin que se produzca una conversión química mayoritaria durante su función. - ‘Sustancias que una vez fabricadas y procesadas, se utilizan en el diseño y construcción de componentes y estructuras, debiendo cumplir una serie de propiedades físicas, químicas y mecánicas durante su vida en servicio’. Los materiales no son solo elementos de la tabla periódica si no también combinaciones de estos elementos. ESTRUCTURA ATÓMICA: nivel más fundamental. El nº de protones, distribución y nº de electrones, nº de electrones en la última capa. Determinará: comportamiento eléctrico, magnético, térmico, óptico y químico. CRISTALINA: considera la distribución de los átomos en el espacio. Influencia de propiedades mecánicas → ductilidad, resistencia mecánica. Presencia de defectos cristalinos → cambios en propiedades del material. Estructura cristalina: organización atómica regular → metales, muchos cerámicos y algunos polímeros (TP semicristalinos). Contraste entre el comportamiento mecánico de aluminio (dúctil) y magnesio (frágil), resultado de sus respectivas estructuras cristalinas (cúbica y hexagonal). Estructura amorfa: configuración atómica desordenada → algunos cerámicos, polímeros, vidrios… ESTRUCTURA ATÓMICA - Número atómico (Z): nº protones (= al nº de e- si el átomo es neutro). - Número másico (A): nº de neutrones + nº de protones. - Masa atómica: masa de protones + neutrones (masa de e- es prácticamente despreciable). - Estado fundamental: los e- ocupan los niveles de energía más bajos (posible transición a estado energéticos superiores). - Configuración electrónica: modo en cómo se van ocupando estos niveles. - Electrones de valencia: e- que ocupan los niveles más externos. Participan en el enlace entre átomos. FUERZAS INTERATÓMICAS Hay moléculas y materiales porque los átomos tienden a enlazarse. Curva de energía potencial: suma 2 energías. - Atracción: fuerzas atractivas electrostáticas. - Repulsión: consecuencia interacción orbitales externos de los átomos. - Fuerza de enlace → fuerza neta atracción o repulsión en función distancia de separación entre dos átomos o iones. FNETA = FA + FB - Estado de equilibrio: FA + FB = 0 → distancia de equilibrio, r0 - Posiciones estables de los iones corresponden a un mínimo en la energía → Energía de enlace, E0 : tipos de enlaces interatómico. ENLACES Según propiedades del material: 1. Enlaces primarios: átomos comparten o intercambian electrones de sus capas externas para conseguir una estructura electrónica estable (iónico, covalente, metálico). 2. Enlaces secundarios: disposición física de átomos en la molécula da como resultado una carga eléctrica no equilibrada. Las moléculas se unen mediante fuerzas electrostáticas. Fuerzas de Van der Waals (interacciones tipo dipolo) y puentes de hidrógeno. ENLACE IÓNICO Transferencia de electrones de un átomo a otro. - Electronegatividades átomos muy diferentes. - Estructuras compactas. - Enlace no direccional. - La resistencia del enlace aumenta con la carga eléctrica (ley Coulomb). - Energía de enlace: 600-1500 kJ/mol ⇨ ⇧ Tª Fusión. - Materiales iónicos: duros, frágiles, eléctricamente y térmicamente aislantes. - Típico de materiales cerámicos. ENLACE COVALENTE Átomos comparten electrones externos (e- de valencia). - Electronegatividades similares (próximos tabla periódica). - Enlace direccional (se solapan los orbitales, los e- no se mueven libremente). - Estructuras no compactas. - Compuestos con resistencia y Tª fusión alta. - A menudo poseen expansión térmica baja. - Típico: polímeros, enlaces C-C, C-H, C-N; cerámicos covalentes. + Polímeros: Sólidos covalentes amorfos presentan largas cadenas de unidades mínimas (monómeros). Monómero conjunto mínimo estable de átomos unidos enlaces covalentes. ¡Cuidado! En los polímeros termoplásticos, entre cadenas presentan enlaces secundarios/débiles: bajo punto de fusión y baja resistencia. + Cerámicos Covalentes: Estructura cristalina: diamante, enlaces covalentes entre átomos de carbono. Alto punto de fusión (Tf diamante > 3500 ºC) y elevada dureza. ENLACE METÁLICO Distribución compartida de electrones entre varios átomos: METALES - Enlace no direccional. - Electrones valencia no están asociados al átomo, sino que forman una nube electrónica (conjunto de electrones compartidos por conjunto de átomos). - Electrones en materiales metálicos: electrones deslocalizados. Libertad de movimiento, justifica altas conductividades eléctricas y térmicas. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES 1 En función del tipo de enlace + Metales: - Enlace metálico entre átomos con 1, 2, o 3 electrones de valencia - – Metales puros: Hierro, Aluminio, Cobre, Zinc, Plomo… - – Aleaciones: Acero (Fe-C), aceros aleados (Fe-C-X, X= Cr, Mo, Ni, Mn), latones (CuZn), bronces (Cu-Sn), aleaciones ligeras base Al, Ti, Mg, superaleaciones base Ni… + Sólidos inorgánicos: - Enlace iónico/covalente entre átomos con 5, 6, o 7 electrones de valencia - CERÁMICOS (SiO2, cemento, hormigón… + Sólidos orgánicos: - Enlace covalente en moléculas basadas en C, H y otros elementos no metálicos (O, N, F..) - POLÍMEROS, Asfalto, madera. 2 En función de su naturaleza química 3 Otras clasificaciones MATERIALES METÁLICOS Y ALEACIONES ▪ Metales puros: Fe, Al, Mg, Ti, Zn, Cu, Sn, Pb, Ni.. ▪ Aleaciones: aceros (Fe-C), aceros aleados (Fe-C-X, X= Cr, Mo, Ni, V, Mn...), latones (Cu-Zn), bronces (Cu-Sn). Aleaciones ligeras base Al, Ti, Mg, superaleaciones base Ni, superaleaciones base Co,... ▪ Enlace metálico - Elevada conductividad térmica y eléctrica - Resistencia mecánica alta, alta rigidez (modulo elástico), ductilidad y conformabilidad, resistencia al impacto - Aplicaciones estructurales MATERIALES CERÁMICOS ▪ Compuestos complejos que contienen elementos metálicos y no metálicos o solo no metálicos, unidos por enlaces iónicos y/o covalentes. ▪ Cerámicos amorfos: vidrios ▪ Cerámicos cristalinos: NaCl ▪ Cerámicos oxídicos (Al2O3 , MgO, SiO2 ,...) y cerámicos no oxídicos (Si3Ni4 , SiC, WC, BN..) - Elevada dureza y resistencia - Baja ductilidad, conformabilidad y resistencia al impacto - Baja conductividad eléctrica y térmica - Elevado punto de fusión, elevada estabilidad química y resistencia a la abrasión - Buenas propiedades ópticas, eléctricas y térmicas - Numerosas aplicaciones: alfarería, ladrillos, loza, azulejos, refractarios, imanes, abrasivos, aislantes eléctricos, componentes de turbinas de gas. MATERIALES POLIMÉRICOS ▪ Compuestos orgánicos basados en C, H y otros elementos no metálicos (O, N, F, Si) ▪ Moléculas de cadena larga formados por monómeros unidos entre sí ▪ Tipo de enlace interatómico: covalente conformando largas cadenas lineales (termoplásticos) o redes (termoestables). ▪ -Ej. Etileno C2H4 ; Polietileno – (–C2H4–)n–; poliéster, nylon, … - Elevado peso molecular 10.000-1.000.000 g/mol - Son ligeros (baja densidad), resistentes a la corrosión y aislantes eléctricos - Baja resistencia mecánica y no adecuados para usos a elevada temperatura - Fáciles de conformar y obtener formas complejas - Numerosas aplicaciones: juguetes, artículos domésticos, artículos estructurales y decorativos, recubrimientos, pinturas, adhesivos, neumáticos,.. MATERIALES COMPUESTOS ▪ Combinación de dos o más materiales de diferente naturaleza, diseñado para desempeñar una función específica, maximizando las propiedades deseables de sus componentes y minimizando las que no lo son ▪ Matriz y refuerzo ▪ Ejemplos: aleaciones de Al reforzadas con fibras o partículas, polímeros reforzados por fibra de vidrio (GFRP) o fibra de carbono (CFRP), madera, hormigón... - Combinan rigidez, ligereza, resistencia, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza, conductividad  - Combinación de matriz (metálica, cerámica, polimérica) y refuerzo (láminas, fibras, partículas). Diferentes tipos de materiales compuestos: a) con partículas, b) con fibras y c) laminar Mayoría componentes ingeniería: metales y aleaciones Polímeros: uso forma creciente Cerámicos: en desarrollo. Material emergente por sus múltiples aplicaciones Compuestos: combinación de propiedades, múltiples aplicaciones Materiales naturales: madera, piel, … Presentan propiedades únicas PROPIEDADES DE LOS MATERIALES 1) Propiedades eléctricas En función de respuesta al paso de una corriente eléctrica los materiales los podemos clasificar: - Conductor: plata, cobre, aluminio. - Aislante: poliestireno, polietileno. - Semiconductor: germanio, silicio 2) Propiedades magnéticas En función de la respuesta de la imanación frente a un campo magnético: - Diamagnético: plata, cobre. - Paramagnético: aluminio, magnesio. - Ferromagnético: hierro, níquel. 3) Propiedades ópticas Se refieren a la reacción del material cuando la luz incide sobre él (reflexión, refracción y absorción) 4) Propiedades térmicas Respuesta del material frente al intercambio de calor con el exterior - Capacidad Calorífica (C): capacidad de un material de absorber calor de su entorno - Coeficiente lineal de dilatación térmica (α): grado de dilatación por unidad de longitud debido al aumento de Tª constante del material - Conductividad térmica (K): medida de la velocidad a la cual se transfiere calor a través de un material.  5) Propiedades mecánicas Relacionadas con forma en que reaccionan los materiales cuando actúan fuerzas sobre ellos. σ = E · ε E, Módulo elástico o de Young. 6) Propiedades químicas - Corrosión: degradación de un material metálico cuando es sometido a la acción de agentes atmosféricos o químicos - Oxidación: Formación de óxido del metal. Aunque la oxidación limita la vida del material en ocasiones la formación de una capa de óxido en el mismo, depositada en la parte exterior del material, lo protege de una posterior degradación - Corrosión electroquímica: se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas Se forma una pila de corrosión (ánodo-cátodo). Materiales susceptibles de corrosión: metales activos (Fe ,Al, Zn,...) Materiales más resistentes a la corrosión: metales nobles (Au, Ag, Cu, …). 7) Propiedades ecológicas Son las que están relacionadas con la mayor o menor nocividad del material para el medio ambiente. - Toxicidad: Es el carácter nocivo de los materiales para el medio ambiente o los seres vivos - Reciclabilidad: Es la capacidad de los materiales para poder ser reutilizados otra vez - Biodegradabilidad: Es la capacidad de los materiales de, con el paso del tiempo, descomponerse de forma natural en sustancias más simples. MICROESTRUCTURA: Cerámico comercial se fabrica calentando a alta temperatura polvos cristalinos. PROCESADO: Técnicas de fabricación que permiten generar la forma deseada de un componente. - Moldeo (vertido del material en estado líquido en un molde) - Soldadura (unión de piezas individuales) - Conformado aplicando presión (forja, extrusión, laminado, doblado) - Compactación y sinterización de partículas pequeñas (procesado de polvos/pulvimetalurgia) - Eliminación de material excedente (mecanizado) - Técnicas aditivas A la hora de ver qué material selecciono para fabricar una estructura o componente para una determinada aplicación es importante conocer la relación ternaria Estructura-propiedades-procesado. Cada material tiene unas propiedades que: ✓ lo diferencian de los demás ✓ determinan lo que puede hacerse con él - No existe ningún material perfecto para la fabricación de cualquier producto. - Cada aplicación necesita un material que cumpla unas características/propiedades determinadas. - Ingenieros y diseñadores necesitan sopesar ventajas e inconvenientes de cada uno de los materiales y elegir adecuadamente aquel que mejor se adapte a las necesidades requeridas. - Para elegir adecuadamente un material es necesario conocer sus propiedades mecánicas, térmicas, ópticas, magnéticas, químicas, sensoriales, etc. - La elección de un material se debe hacer cuidadosamente desde el punto de vista de sus propiedades dependiendo de la aplicación a la que se destine. ETAPAS DEL PROCESO DE SELECCIÓN 1) Definir las funciones requeridas para el producto. 2) Considerar diseño provisional, teniendo en cuenta normativa nacional e internacional. 3) Definir las propiedades requeridas a los materiales. 4) Identificar y clasificar posibles materiales, teniendo siempre en cuenta la disponibilidad. 5) Identificar posibles procesos de fabricación capaces de obtener el diseño previsto. 6) Considerar los posibles materiales y procesos de fabricación de forma conjunta, y establecer una propuesta para ambos. 7) Si no es posible, reconsiderar el diseño y reiniciar el ciclo. 8) Considerar cómo se puede comportar el producto durante su vida en servicio.