Materiales

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Los materiales se clasifican en funcionales (utilizados por una prpiedad fundamental que no es la mecanica)electricos,magneticos,biomateriales; y estructurales (Metales se clasifican en ALEACIONES FERREAS(pertenecen al grupo del hierro, del niquel y del cobalto, como aceros,fundiciones,superaleaciones) ALEACIONES NO FERREAS pueden ser PESADAS (pb, Cr,Zn) y LIGERAS (Al, Mg,Ti, Be) l<= 4'59METALES O ALEACIONES NUCLEARES (ur) y METALES O ALEACIONES NOBLES (au, Pt) Sus propiedades son:Densidad relativamente elevada, resistencia mecanica elevada, rigidez elevada, buena ductilidad, conductividad electrica y termica elevada, estabilidad quimica media-baja, Ceramicos materiales inorganicos, formados por un metal o semimetal y unidos con un no metal atraves de un enlace ionico o covalente o por una mezcla de ambos se clasifican en: CERAMICAS TRADICIONALES (silice, arcilla y feldespatos) VIDRIOS(SiO2) y CERAMICAS AVANZADAS (Carburos, nitruros u oxidos) Sus propiedades son: Densidad bja, resistencia mecanica medianamente elevada, rigidez elevada, gran fragilidad, conductividad electrica y termica baja,estabilidad quimica alta.Polimeros Compuesto organico, natural o sintetico, de elevado peso molecular, constituido por unidades estructurales repetitivas o cadenas de gran tamaño formadas por la union covalente de varias unidades monomericas (macromoleculas) Plastico Polimeros con plasticidad (termoplasticoas q se deforma plasticamente bajo accion de presion y/o calor. Mezcla q pueda ser transformada x flujo o moldeo en forma liquida o fundida.Pueden ser: TERMOPLASTICOS lienales o ramificados, pero no entrecruzados, se hacen fluidos x calentamiento y/o presion toman una forma determinada q se mantiene una vez enfriado (puede repetirse) se obtienen x adición (polietileno,polipropileno,poliestireno,policloruro de vinilo) TERMOESTABLES estructura entrecruzada y son infusibles e insolubes. Para dar forma se realiza con un intermedio y luego un entrecruzamiento. Se obtiene por Poliadicion (resinas epoxi,poliuretanos,resinas fenolicas) ELASTOMEROS estructuras poco entrecruzadas, insolubes, infusibles pero hinchan (caucho natural,polibutadieno.copolimeros butadieno:Estireno) Caracteristicas: Facil procesado (productos de elvado consumo) elevada ductilidad (neumaticos.Plasticos para embajaje) productos ligeros (automovil,aeronautica y aeroespacial) aislantes termicos (construccion) aislantes electricos (recubrimiento de cables) elevada R (tuberias, Recipientes, Recubrimientos) Desventajas: Limitacion termica, su matieria prima es el petroleo y esta sometido a prestaciones. Compuestos Todo material formado por dos o mas materiales.Clasificacion, SEGUN LA FORMA DEL REFUERZO Particulas (consolidados por dispension y particulas grandes) Fibras (cortas o discontinuas y largas o continuas) Estructurales (laminares y paneles sandwich) SEGUN EL TIPO DE MATRIZ MC de matriz metalica (MMC) Mc de matriz Ceramica (CMC) MC de matriz Polimerica (PMC) Matriz --> 1) metal 2) Ceramica 3) Vidrio 4) Organicos Material de refuerzo --> 1) Fibras de metal, ceramica, carbono, vidrio 2) particulas y fibras metalicas y ceramicas 3) Fibras y particulas ceramicas 4) Fibras de carbono, vidrio, organicas Popidas modificadas --> 1) Resistencia electrica a T alta y estabilidad termica 2) Resistencia quimica y termica a Talta 3) REsistencia mecanica a T alta quimica y estabilidad termica 4) Resistencia mec a T elevada, quimica,electrica y al desgaste, flexibilidad y estabilidad termica.
Los enlaces quimicos se clasifican en:
Primarios se producen entre elemntos del mismo o distinto tipo por uniones fuertes y son los de mas energia Pueden ser: Ionicos enlace fuerte, producido entre elemnetos muy electropositovos y muy electronegativo, metal + no metal, alto punto de fusion,fragiles, nelaces NO DIRECCIONEALES. (ceramicos y vidreos) Covalentes Cuando se comparte electrones, enlace DIRECCIONAL (soldios covalentes con propiedades diferentes segun la direccion) solo se producen 100%, cuando son elementos de la misma especie. semiconductores (ceramicos vidreos y polimeros) Metalicos Sus electrones de valencia la ceden a una nube electronica, NO DIRECCIONAL semiconductores (metales y aleacciones) Secundarios Polimeros Entre moleculas (con dipolos) u elemntos q ya se han unido (H2O) enlaces energeticos.
Las propiedades de los materiales son consecuencia de su estructura q es el resultado de las interacciones electricas entre los atomos que dan lugar a su enlace quimico. Las propiedas de los metales estan relacionadas con la estructura cristalina y con el enlace metalico menos la maleabilidad, ductilidad, resistencia a la tencion, temple y capacidad de hacer aleaciones, hay dos tipos de materiales
Cristalinos y Amorfos en ocasiones la repetitividad se rompe, es lo q diferencia a los cistales de los vidrios o materiales amorfos. Podemos encontrar con toda una degradacion continua del orden, y sabeos q hay varios grados de cristalinidad Solidos amorfos son todos aquellos solidos en los cuales sus pariculas constituyentes presentan atracciones lo suficientemente eficaces como para impedir q la sustancia fluya, resultando una estructura rigida y mas o menso dura. No hay una disposicion interna ordenada y no tienen ningun patron , se les llama tmbn vidrios o liquidos sobreenfriados. A T altas se transforman en liquidos y sus particulas tienen libertab, al disminuir lentamente la T, la Ecin de las particulas se hace tan baja q se puede producir un acomodamiento entre ellas, si el enfrianmetnoes rapido y por debajjo del punto de fusion, se crea una contraccion termica q no permite el ordenamiento de las particulas aumentando la viscosidad y la sustancia adquiere las caracteristicas de un solido : dureza, rigidez, forma y volumen definidos, (asfalto, ceras, brea, vidrio, y la mayoria de los polimeros) Si un solido amorfo se quiebra produce caras y bordes irregulares y al fundirse pasa del estado solido al liquido,.Redes de Bravais son paralelepipedos q constituyen la enor subdivision de una red cristalina q conserva las caracteristicas generales de toda la reticula, puede reconstruirse el solido cristalino completo. Caracteristicas de la celda unitaria: PARAMETRO DE RED longitud de los lados de la celda unitaria, NUMERO DE COORDINACION numero de atomos q se encuentran en contacto con un atomo en particulas, numero maximo 12 FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO Fraccion del espacio ocupada por los atomos , es = aytomos x celda X volumen atomo / volumen celda DENSIDAD es = atomos x celda Xmasa atomica / 6,023*1023 x volumen celda Estructuras Ceramicas E. NaCl los aniones forman una red cubica compacta CCP con los cationes ocupando todos los huecos octaedricos (LiFr KBr MgO FeO PbS SnTe) E. ZnS blenda Los aniones forman una red cubica compacta CCP con los cationes ocupando la mitad de los huecos tetraedricos (SiC BN AgI GaAs) Cristal perfecto aquel cristal en el que todos los atomos se encuentran en reposo situados en su correspondiente posicion en la red cristalina a T=0K Cristal imperfecto con defectos (variacion en el ordenamiento regular de los atomos o moleculas de un cristal AG=AH-TASImperfecciones cristalinas defectos a las desviaciones q son observadas por metodos experimentales con referencia a la estructura cristalina descita con anterioridad Pueden ser: PUNTUALES, LINEALES O SUPERFICIALES Imperfecciones puntualesVacantes ausencia de atomos aislados en ciertas posiciones cristalinas, se producen durante el proceso de solidificacion, el numeto de vacantes crece exponencialmente con la T, directa , y con la fuerza de enlace, inversa. Ef e la energia para crear una vancante q se crea xq al aumentar la T los atomos vibran mas y pueden salir.Atomo autointersticiales Un atomo ocupa un lugar intersticial de los huecos. Defectos de Frenkel y defectos de Schottky Dislocaciones ausencia conjunta de atomos alineados en subplanos. en los metalicos justifican la plasticidad y fluencia q caracterizan y diferencian a los ceramicos q no permiten procesos de plastificacion .Afectan a las propiedades mecanias Defectos superficiales Bordes de grano la superficie q separa los granos individuales de diferentes orientaciones cristalograficas en materiales policristalinos Maclas tipo especial de limite de grano en el cual los atomos de un lado del limite , estan localizados en una posicion q es la imagen especular de los atomos del otro lado.
Difusion mecanismo por el cual la materia es transportada a traves de la materia, En GASES rapido (olores humo) En LIQUIDOS mas lento (tinta en agua) En SOLIDOS vibraciones termicas permiten el movimiento , permite las reacciones en estado solido: precipitacion de una segunda fase; crecimiento de nuevos granos en recirstalizacion de metales trabajando en frio.MECANISMO DE DIFUSION AUTODIFUSION: movimientos de atomos identicos entre posiciones eticulares de la estructura cristalina del material HETERODIFUSION distintos atomos intercambian sus posiciones en la red DIFUSION POR VACANTES un atomo abandona su posicion en la red para ocupar alguna vacante proxima y dejando una nueva (se crea una corriente de atomos y otra de vacantes en sentidos contrarios) A mayor T mayor numero de vacantes y mayor energia termica, por lo tanto mayor difusion DIFUSION INTERSTICIAL los atomos intersticiales se difunden a otros puntos intersticiales (se crea una corriente de atomos y otra de puntos intersticiales vacantes en sentidos contrarios, este proceso de difusion es mas rapido y facil q el debido a las vacantes pues los intersticios existen siempre) La Difusion molecular aparece al existir una distribucion espacial de concentracion de materia. Ladifusion de materia tiene el sentido en el que la concentracion disminuye. La difusion molecular es un fenomeno irreversible Energia de activacion en la difusion Un atomo debe arirse paso entre los atomos circundantes para su difusion a otro sitio. Este proceso requiere superar cierta barrera energetica, Solo los atomos con una energia mayor o igual a E podran difundirse de un punto a otro del material.Energia de activacion Energia para formar una vacante + energia para moverla La D depende del tipo de mecanismode difusion, T, estructura cristalina del disolvente, tipos de imperfecciones de la red cristalina, concentracion de la especie que difunde. La difusion requiere tiempo, Si un gran nº de atomos debe difundirse para producir una estructura homogenea se necesitan tiempos largos o termperaturas elevadas 2ª) perfil de composicion Permite conocer la evolucion temporal del perfil ogradiente de concentracion de los atomos q se difunden en el material Solidificacion Eutectica L--> alfa + beta Peritectica L + alfa --> beta Monotectica L1 --> alfa +L2 (zona de miscibilidad convivencia de 2 fases liquidas De estado solido Eutectoide y --> alfa + beta Peritectoide alfa + beta -->y
Fase es toda porcion de un sistema con la misma estructura o arreglo atomico, con la misma composicion y propiedades en todo el material que la constituye y con una interfase definida con toda otra fase vecina Se diferencia de
Componente (material q puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia quimica diferente) Una sustancia pura puede aparecer en dos de sus estados fisicos en edeterminadas condiciones y asi identificarse dos fases con diferente organizacion atomica y propiedades cada una y con una clara superficie de separacion entre ellas (interfase) El comportamiento d es estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de graficos q se conocen como diagramas de fase se obtiene informacion como: comocer q fases estan presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento, Averiguar la solubilidad, en el el estado solido y en el equilibrio, de un elemneto en otro, Determinar la T en la cual una aleacion enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a soliificar y la T a la cual ocurre la solidificacion, Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse a diferentes fases. Las reglas de las fases de Gibbs permiten calcular el numero de fases q pueden coexistur en equilibrio en cualquier sistema P+F=C+2 C= numero de componentes del sistema, P=numero de fases presentes en el equilibrio, F= numero de grados de libertad del sistema. El numero de grados de libertas de determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no esta influenciado por la gravedad, fuerzas electricas o magneticas y solo se afecta por la T, presion y concentracion. El numero dos en la regla corresponde a las variables de T y P. Componente es el menos numero de constituyentes quimicos independientemente variables necesarios y suficientes para explresar la composicion de cada fase presnete en cualquier estado de equilibrio. Cuando hay una fase es homogeneo con varias heterogeneo cada fase se considera homogenea en los equilibrios heterogeneos, Grado de libertad (varianza) numero de variables intensivas q pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparcivion o formacion de una nueva fase. Variables intensivas son aquellas independentes de la masa : P,T y composicion. Laregla se las fases se aplica solo a estados de equilibrios de un sismtea y requier 1) equilibrio homogeneo en cada fase 2) equilibrio heterogseneo entre las fases coexixtentes( mezcla agua hielo a 0 ºC: tienen un componetner: H2O y dos fases solido liquido) No dependede de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes sino q depnde solo del numro, no da informacion de la velocidad de reaccion. El numero de componentes es dos (C+2) numero maximo de fases q pueden coexistir al quilibrio, donde los grados de libertad (F) no pueden ser inferiores a 0 (3+F=1+2 F=0 como ninguna de las variables se puede cambiar manteniedno las 3 fases de coexistencia, el punto triple es un punto invariante.Principios termodinamicos La materia puede existir en diferentes estados, en funcion de las condiciones de T, P y composicion, un solido puede poseer dierentes estructuras atomicas bajo distintas condiciones. Los principios de la termodinamica controlan el estado de equilibrio de un material en funcion de las condiciones de Py T, Para un sistema a T y P determinadas, la funcion energetica q mejos describe la enegria de una sustancia es la energia libre de gibbs G G=H-TS El equilibrio no dice nada acerca del tiempo necesario para alcanzarlo: la cin tmbn es importante Construccion se determinan los diagramas mediante calculos termodinamicos, Identificando las fases presentes en funcion de la T y composicion mediante observacion directa en el microscopio y analisis quimico, midiendo cambios de propiedades en funcion de la Y y la composicion, Curvas de enfriamiento durante la solidificacion: la velocidad de enframiento disminuye durante la transformacion debido al calor latente de fusion
Fases presentes en el diagrama FE-C Ferrita (alfa) solucion solida de insercions (0'008%C) amagnetica a T superiores a 770ºC y magnetica a inferiores. constituynete mas blando , dureza 90HB, resistencia 300MPa y 40% de alargamiento AustenitaFCC solucion solida, maxima solubilidad a 1148ºC 2'11% en peso aparece entre 1495 y 727ºC, amagnetica, blanda,ductil y tenaz. 300HB, 880-1100MPa alargamiento de orden de 30-60%a temperatura ambiente esnecesariao estabilizarla con elemnetos d aleacion Cementitase forma con el hierro y carbono cuando hay unexceso de carbono, no es metalico, una fase muy dura y fragil, mes el mas duro, tiene celdas ortorombicas, magnetica por debajo de 210ºC fusion casi indeterminable, ya q se descompone, termodinamicamente es inestable y tiene a descomponerse, de valencia anormal. En el diagrama aparecen 3 lineas horizontales, indican reacciones isotermicas La T 1493 es la tipica linea de una reaccion peritectica. En cuanto al valor industrial de esta region es muy pequeli ya q no se efectua nungun tratamiento termico en este intervalo de temperaturas. En resumen, las aleaciones comprendidas entre 0,09%C y 0,53%C, sufren la reaccion peritectica, las menos no sufren y las mayores tmpco la sufren y la austenita es resultado de la solidifciacion directa del liquido. la linea horizontal de 1148ºC aparece la mezcla eutectica(y (austenita) + Fe3C (cementita) 4'3%C) ledeburita y en la ultima linea de 722ºC corresponde a la mezcla eutectoide (alfa (ferrita) + Fe3C (cementita)) perlita TRANSFORMACION DE LA AUSTENITA La microestructura de los aceros depende de la forma en q se transforme la austenita.Si la austenita se transforma en condiciones de equilibrio, las fases resultantes con las que indica el diagrama Fe-C metaestable. Si el enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio, resultan fases con caracteristicas peculiares o incluso otras fases q no estan en el diagrama Fe-C. La transformacion de la austenita en condiciones de equilibrio se produce mediante un fenomeno de nucleacion y crecimiento.

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