fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, Esquemas y mapas conceptuales de Ciencia de materiales

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CONOCIMIENTO DE MATERIALES

BIBLIOGRAFÍA:

 Fundamentos de la ciencia de materiales – 4ta. Edición – William F. Smith – Javad Hashemi, PhD. – Editorial McGraw – Hill Interamericana – 2006  Introducción a la Ciencia de materiales para ingenieros – 6ta. Edición – James F. Shackelford – Editorial Pearson Prentice – 2005  Apunte: “Estructura “ 3ero. Polimodal – Tecnología de Materiales – Ing. Ana Druker  Hormigón Armado y Pretensado – Hubert Rüsh  Cubiertas con Estructura de Madera – Hector Scerbo  Manual Vassa  Manual Minetti  Apuntes de Tecnología de Materiales – Ing. Rosa Lefevre

barato de obtener, el más fácil de reciclar una vez concluida su vida útil o aquél que cause el menor impacto ambiental, es por eso que hablamos de difícil tarea ya que serán muchas las cuestiones a analizar.

1.3. Estructura atómica y enlaces :

Si consideramos que los materiales están constituidos por átomos y que de acuerdo a su distribución y forma de enlaces será el comportamiento del material frente a determinado estímulo, podrá comprender el alumno que los conceptos adquiridos en química serán muy importantes a la hora de entender las propiedades de los distintos elementos. (Se sugiere repasar conceptos de estructura atómica, peso atómico, masa atómica, Nº de Avogadro, configuración electrónica) Repasaremos aquí algunos conceptos importantes.

1.3.1. Tipos de enlaces atómicos y enlaces moleculares:

El enlace químico entre átomos ocurre debido a la disminución neta de la energía potencial de los átomos en estado enlazado. Es decir que en estado enlazado están en condiciones energéticas más estables que cuando están libres. Los enlaces entre átomos pueden dividirse en:

• primarios (o fuertes)
• secundarios (o débiles)

1.3.1.1. Enlaces primarios:

Intervienen grandes fuerzas interatómicas. Se dividen en:

• Iónicos
• Covalentes
• Metálicos

Enlaces iónicos :

Intervienen grandes fuerzas atómicas debidas a la transferencia de un electrón de un átomo a otro produciéndose iones que se mantienen unidos por fuerzas colombianas. Es no direccional relativamente fuerte. Pueden formarse entre elementos muy electropositivos (metálicos: 1A, 2A) y elementos muy electronegativos (no metálicos: 6A, 7A). En el proceso de ionización los electrones se transfieren desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos. Las fuerzas iónicas de enlace son debidas a la fuerza de atracción electrostática entre iones con carga opuesta. Un ejemplo de un sólido con un alto grado de enlace iónico es el cloruro de sodio (NaCl). Las propiedades resultantes de este tipo de enlace en los distintos compuestos son:

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• al estado sólido no son conductores de la energía eléctrica, pero si se funden o se disuelven en agua conducen la corriente eléctrica ya que en esas condiciones los iones están separados.
• No se deforman plásticamente (es decir rompen en forma frágil), ya que es imposible el desplazamiento entre planos atómicos sin producir un desequilibrio en la estructura.

Enlaces covalentes:

Corresponden a fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas cuando se comparten electrones para formar un enlace con una dirección localizada. Se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica. Los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que cada átomo alcanza la configuración electrónica de gas noble. En un enlace covalente sencillo, cada uno de los dos átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones del enlace. El caso más sencillo de enlace covalente tiene lugar en la molécula de hidrógeno, en la cual dos átomos de hidrógeno aportan sus electrones para formar un par de electrones unidos por enlace covalente. Cuando los átomos de hidrógeno se aproximan para formar la molécula de hidrógeno, sus nubes de carga electrónica interaccionan y se solapan.

Un ejemplo muy importante en el estudio de materiales es el carbono, ya que es el elemento básico en la mayoría de los materiales poliméricos. El átomo de carbono en su nivel más bajo tiene una configuración electrónica tal que debería formar dos enlaces covalentes. Sin embargo en muchos casos el carbono forma cuatro enlaces covalentes de igual fuerza debido al proceso de hibridación. El carbono en la forma de diamante exhibe enlace covalente tetraédrico. Los cuatro orbitales híbridos están dirigidos simétricamente hacia los vértices de un tetraedro regular. Esta estructura explica la extremadamente alta dureza del diamante, su alta fuerza de enlace y su elevada temperatura de fusión.

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estructura de enlace metálico debido a que no se generan grandes repulsiones (por esta razón son dúctiles es decir presentan mucha deformación plástica). En este enlace los electrones de valencia más externos de los átomos son compartidos por muchos átomos circundantes y, en general, este enlace es no direccional.

Las energías de enlace y los puntos de fusión de los diferentes metales varían mucho. En general cuanto menor sea el número de electrones de valencia por átomo que intervenga en el enlace, más metálico resulta éste. Es decir los electrones de valencia son más libres para moverse. A medida que el número de electrones de enlace aumenta, las energías de enlace y los puntos de fusión también, así por ejemplo el calcio con dos electrones de valencia por átomos tiene sus electrones de enlace más estrechamente unidos que el potasio y por lo tanto la energía de enlace como su punto de fusión son más altos que las del potasio. Podemos concluir que este tipo de enlace da las siguientes características a los materiales que lo presentan:

• buenos conductores de electricidad y calor (por el libre movimiento de los electrones)
• pueden deformarse plásticamente, ya que todos son iones positivos que pueden romper sus enlaces y desplazarse hasta encontrar una nueva posición donde se restituya el enlace.
• Tienden a formar estructuras cristalinas compactas de gran simetría.
• Admiten la introducción de otros átomos metálicos o no metálicos en su estructura cristalina, formando así soluciones sólidas cuyas propiedades varían con la cantidad de átomos en solución.

1.3.1.2. Enlaces secundarios y moleculares:

Los enlaces secundarios son relativamente débiles en relación con los primarios. La fuerza motriz para la formación de estos enlaces es la atracción de los dipolos eléctricos contenidos en los átomos o en las moléculas. Los dipolos eléctricos se crean en los átomos o en las moléculas cuando existen centros con cargas positiva y negativa. Estos enlaces son denominados algunas veces como Fuerzas de Van der Waals. Existen dos tipos principales de enlaces secundarios:

• Enlace dipolo permanente
• Enlaces bipolares variables

El puente de hidrógeno es un caso especial de una interacción dipolo-dipolo permanente entre moléculas polares. Se presenta cuando un enlace polar conteniendo el átomo de hidrógeno, O-H o N-H, interacciona con los átomos electronegativos O,N,F,o Cl (por ejemplo la molécula de agua).

a) Dipolo permanente de la molécula de agua b) Enlace de hidrógeno entre moléculas de agua debido a la atracción polar de dipolo permanente El puente de hidrógeno resulta también muy importante para reforzar el enlace entre cadenas moleculares de algunos tipos de materiales poliméricos.

1.3.1.3. Enlaces Mixtos:

En el enlace químico de átomos pueden presentarse más de un tipo de enlaces primarios y también primarios y secundarios. Así por ejemplo podemos tener las siguientes combinaciones entre enlaces primarios:

• iónico – covalente: cuanto mayor es la diferencia de electronegatividades de los elementos que intervienen en un enlace mixto iónico-covalente, mayor es el grado de carácter iónico del enlace. Muchos compuestos semiconductores tienen este tipo de enlace mixto. También se encuentran en otros materiales cerámicos.
• Metálico – covalente: los metales como el titanio y el hierro tienen este tipo de enlaces. A ellos se atribuyen los altos puntos de fusión que tienen algunos metales.
• Metálico – iónico: se puede presentar cuando hay una diferencia significativa de electronegatividad en los elementos que forman un compuesto intermetálico.

1.3.2. Clasificación de los Materiales en función del tipo de Enlace:

Los distintos tipos de materiales vistos están directamente relacionados con los tipos de enlaces estudiados, ya que éstos afectarán notablemente a sus características y propiedades. Basta con analizar el siguiente ejemplo para entender esta influencia: pensemos en el diamante y en el polietileno (polímero); ambos presentan enlaces

1.4.1. Redes espaciales Celda unitaria. Sistemas cristalinos.

El ordenamiento atómico en los sólidos cristalinos se puede describir representando a los átomos en los puntos de intersección de una red tridimensional. Esta red se llama red espacial y puede describirse como un ordenamiento tridimensional infinito de puntos. Cada punto en la red espacial tiene un entorno idéntico. En un cristal ideal la agrupación de puntos de la red alrededor de uno cualquiera es idéntica a la agrupación entorno a otro punto de la red espacial Cada red espacial puede describirse especificando la posición de los átomos en una celda unitaria repetitiva. Cada celda unitaria puede definirse mediante las longitudes de sus aristas a,b,c, y mediante los ángulos que dichas aristas forman entre sí . A estos valores se los denomina constantes de red.

a) Red espacial de un sólido cristalino ideal b) Celda unitaria mostrando las constantes de red

1.4.2. Estructuras cristalinas metálicas :

La mayoría de los metales puros cristalizan al solidificar en tres estructuras cristalinas compactas: cúbica centrada en el cuerpo (BCC, también conocida según otros autores como CC), cúbica centrada en la cara (FCC, también conocida como CCC) y hexagonal compacta (HCP)

a) BCC (o CC) b) FCC (o CCC) c) HCP

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Como puede verse en la figura, en la estructura cristalina BCC (recordar la B proviene de Body: cuerpo) el átomo central está rodeado por ocho vecinos más próximos. En cada celda unidad tenemos el equivalente a dos átomos ya que hay un átomo en el centro de la celda y 1/8 de átomo en cada uno de los ocho vértices. Los átomos de los vértices entran en contacto entre sí a lo largo de la diagonal del cubo de tal manera que se puede establecer una relación entre la constante de red a (o parámetro reticular) y el radio atómico R como se indica en la figura.

b) Celda unitaria BCC de esferas rígidas c) Celda unitaria BCC aislada

En la estructura cristalina FCC (recordar la F proviene de Face: cara) hay un átomo en cada vértice del cubo y uno en el centro de cada cara. En esta estructura tendremos entonces el equivalente a cuatro átomos por celda unitaria ya que hay 1/8 de átomo en cada uno de los 8 vértices y ½ átomo en cada una de las seis caras. En este caso los átomos se contactan en la diagonal de la cara del cubo pudiéndose también determinar la relación entre la constante de red y el radio atómico.

b) Celda unitaria FCC de esferas rígidas c) Celda unitaria FCC aislada

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Debido al pequeño ion altamente cargado de sílice, se crean fuerzas de enlace fuertes dentro de los tetraedros y como resultado estos estarán unidos esquina con esquina y rara vez arista con arista; formando de esta manera cadenas o láminas.

a) Cadena de silicato b) Estructura de lámina de silicato

Si bien los vidrios también tienen como unidad fundamental los tetraedros de sílice, éstos no tienen un ordenamiento a largo alcance, por eso se habla de estructura amorfa. En la siguiente figura se muestra la estructura cristalina de un sílice cristalino ideal comparada con la estructura amorfa de un vidrio.

a) b)

a) sílice cristalino ideal en la que el tetraedro tiene un orden a largo alcance (est. cristalina) b) vidrio de sílice sin ordenamiento a largo alcance (est. amorfa)

1.4.4. Estructuras de los polímeros:

Los materiales poliméricos tienen una estructura tipo cadena. En comparación con el orden y apilamiento de átomos e iones individuales en los metales y cerámicos, la disposición de estas largas cadenas según un patrón regular y repetitivo es difícil. Sólo en algunas zonas de determinados polímeros puede verse que las cadenas mantienen un relativo ordenamiento. Los “eslabones” de estas cadenas están unidos entre sí mediante enlaces covalentes, mientras que las cadenas entre sí pueden presentar enlaces débiles o un entrecruzamiento fuerte dando origen a distintos tipos de polímeros.

Estructura amorfa de un polímero

1.5.Propiedades mecánicas:

Al momento del diseño las propiedades mecánicas son fundamentales, porque deberemos conocer cómo se comporta el material seleccionado cuando se encuentra sometido a los distintos esfuerzos a lo largo de su vida útil. En general podemos decir que las propiedades mecánicas de los materiales se caracterizan por dos magnitudes:  Resistencia: oposición que presenta un material a ser deformado o destruido  Plasticidad: capacidad de adquirir una deformación remanente sin que se destruya. Una pequeña plasticidad o la carencia total de ella se denomina fragilidad. Los ensayos mecánicos nos permiten obtener los valores numéricos de las propiedades mecánicas y estas propiedades permiten a los diseñadores y/o constructores establecer en qué condiciones de servicio puede ser usado ese material y cuál puede ser la máxima carga que puede soportar.

Tensiones:

Las tensiones son esfuerzos que se encuentran en el interior de los materiales y pueden clasificarse en temporales o internas según los efectos que las producen:  Tensiones temporales: aparecen por efecto de una carga externa aplicada y desaparecen cuando ésta deja de actuar. Pueden ser tensiones normales () o tensiones tangenciales ().  Tensiones internas: se originan y equilibran en los límites de la pieza sin la acción de ninguna carga exterior y están relacionadas con la distribución heterogénea de las deformaciones en todo su volumen. Tendremos las tensiones térmicas que surgen en un proceso de enfriamiento o calentamiento violento del material, como

 Esfuerzo de Corte o Cizalladura: produce el desplazamiento relativo entre dos secciones transversales infinitamente próximas.  Esfuerzo de flexión: produce el giro de la sección transversal alrededor de un eje coplanar a la misma, curvando el eje de la pieza.  Esfuerzo de torsión: produce el giro de la sección transversal en su plano, alrededor de un punto. Es importante destacar que todos estos esfuerzos no siempre se presentan en forma simultánea, así por ejemplo podremos tener cuerpos solicitados a un único esfuerzo (esfuerzo simple) o a varios esfuerzos (esfuerzo compuesto) Estos esfuerzos internos son los que generan las tensiones temporales (descriptas antes) y según sea el carácter del esfuerzo será la tensión. Así, todos aquellos esfuerzos que actúen en forma normal a la sección considerada originarán tensiones normales  (esfuerzo normal y esfuerzo de flexión) y aquellos que actúen tangencialmente a la sección originarán tensiones tangenciales  (esfuerzo de corte y esfuerzo de torsión).

Relación entre el tipo de deformación y rotura con el tipo de esfuerzo y tensión actuantes:

Deformación elástica: habíamos dicho que era aquella que desaparecía completamente cuando las fuerzas externas dejaban de actuar; no produce cambios notables en la estructura y propiedades del material ya que los desplazamientos atómicos relativos son insignificantes (los átomos que se alejaron o aproximaron unos de otros durante el esfuerzo de tracción o compresión, vuelven a sus posiciones de equilibrio cuando dejan de estar sometidos a estos esfuerzos). En la mayoría de los materiales, la magnitud de la deformación elástica es muy pequeña y depende linealmente de la carga respondiendo a la ley de Hooke: E en donde l / l 0 es la deformación específica (o deformación longitudinal unitaria) E: módulo de elasticidad (o módulo de Young), es una propiedad del material que caracteriza su rigidez, es decir su resistencia a las deformaciones elásticas (representa la capacidad que tiene el material a oponerse a ser deformado elásticamente; cuanto mayor es el módulo de elasticidad menos se deforma elásticamente). Depende muy poco de la estructura y se determina por las fuerzas de enlace interatómico. En construcciones al diseñar elementos estructurales metálicos se necesita que el material esté trabajando dentro del período de elasticidad para que no quede con deformaciones permanentes al dejar de actuar la carga y además se requiere que tengan gran rigidez, es decir módulo de elasticidad elevado, razón por la cual se utiliza el acero (E = 2100000kg/cm^2 ) Deformación Plástica: se produce por encima de una determinada tensión a partir de la cual se altera la proporcionalidad directa entre la tensión y la deformación (expresada por la Ley de Hooke). Este tipo de deformaciones está relacionado con el deslizamiento de los átomos. Rotura frágil: La rotura frágil pura prácticamente no se encuentra, siempre se observa cierta deformación plástica, aunque sea pequeña, la fractura tiene carácter cristalino

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Rotura dúctil: Va precedida de una deformación plástica considerable; su factura es fibrosa y opaca.

Resistencia a los distintos tipos de esfuerzos:

No es motivo de este curso el estudio de los ensayos a los distintos tipos de esfuerzos a los que se verán expuestos los materiales en servicio, pero el alumno debe saber que la determinación de la resistencia a rotura por: tracción, compresión, flexión, corte y torsión son valores fundamentales al momento del diseño. Sin embargo, hay otros conceptos importantes también al momento del diseño. Dureza: Se denomina dureza a la resistencia a la deformación plástica de un material durante la penetración (o indentación). La medición de dureza, debido a la rapidez y sencillez del ensayo y a la posibilidad de juzgar las propiedades de la pieza sin necesidad de su destrucción, tiene amplia aplicación para el control de calidad de los metales ya que existe una relación entre la dureza y la resistencia a la rotura. Los principales métodos para determinar la dureza se basan en la aplicación de una carga determinada (mediante un penetrador de material y dimensiones normalizados) y la lectura, después que la carga deja de actuar, de la huella resultante. Los métodos más conocidos son Brinell, Vickers, Rockwell. Tenacidad: es la capacidad de absorber energía de impacto. Se puede evaluar a partir del ensayo de impacto o bien a partir del ensayo de tracción ya que la tenacidad resulta proporcional al área encerrada bajo la curva . En general un material más dúctil es más tenaz que uno frágil. Fatiga: Las cargas variables repetidas y sobre todo alternativas (tracción y compresión) provocan roturas en los metales a tensiones inferiores al límite de fluencia, en un proceso denominado fatiga.

2.- Características generales de los distintos tipos de materiales:

Como se vio al principio existen varios grupos de materiales, daremos algunas características generales de los mismos para luego enfocarnos en los más usados en la construcción.

2.1. Materiales electrónicos:

No son importantes por su volumen de producción, pero sí lo son por su avanzada tecnología. El más importante es el silicio puro, al que se modifica de distintos modos para cambiar sus características eléctricas. Muchos circuitos electrónicos complejos pueden miniaturizarse en un chip de silicio de aproximadamente 1,9cm^2. Los dispositivos microelectrónicos han hecho posibles nuevos productos, como los satélites de comunicaciones, las computadoras, calculadoras, relojes digitales y robots. Seguramente estos materiales electrónicos serán muy importantes en las fábricas del futuro donde gran parte de los procesos se realizarán con robots asistidos por herramientas controladas por computadora.

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2.4. Materiales metálicos:

Son sustancias inorgánicas compuestas por uno o más elementos metálicos y pueden contener algunos elementos no metálicos. Son ejemplos de elementos metálicos el hierro, el cobre, el aluminio, el níquel y el titanio y de elementos no metálicos el carbono, nitrógeno y el oxígeno. Los metales son buenos conductores térmicos y eléctricos, son relativamente dúctiles a temperatura ambiente y presentan alta resistencia incluso a altas temperaturas. Si se mezclan dos o más metales tenemos lo que se denomina una aleación. Los metales y aleaciones suelen dividirse en dos clases:  aleaciones y metales ferrosos: contienen un elevado porcentaje de hierro, como el acero y las fundiciones  aleaciones y metales no ferrosos: carecen de hierro o contienen sólo muy pequeñas cantidades por ejemplo el aluminio, el cobre, el zinc, el titanio y el níquel. Ya sea en aleación o puros se emplean en muchas industrias como la metalmecánica, la aeronáutica, la construcción, la biomedicina, la electrónica entre otras. Por ejemplo aleaciones de titanio, acero inoxidable y las basadas en cobalto, se emplean en aplicaciones como implantes ortopédicos, válvulas cardíacas, dispositivos de fijación y tornillos, ya que además de su gran resistencia presentan biocompatibilidad siendo esto de fundamental importancia ya que el ambiente dentro del cuerpo humano es en extremo corrosivo.

Clasificación al carbono Baja aleación Alta resistencia Aceros Alta aleación Ferrosas Blanca Fundiciones Gris Nodular Maleable ALEACIONES de cobre de níquel No ferrosas de cinc, plomo y estaño metales refractarios otros metales

aluminio Ligeras magnesio titanio berilio

Los aceros generalmente tienen un contenido en carbono comprendido entre el 0,05% y el 2% en peso. Tienen un contenido especificado de otros componentes como por ejemplo Níquel, Cromo, Molibdeno, Vanadio, Tungsteno y Manganeso. Un acero puede requerir uno o más de estos elementos aleantes para tener características o propiedades especiales. No obstante en la mayoría de los casos el carbono es el principal componente, ya que tiene un rol decisivo en las propiedades y en la selección del tratamiento térmico más apropiado para modificarlas. Debido a esto es que las normas SAE denominan los aceros teniendo en cuenta el contenido de carbono indicando: acero SAE 10XX en donde XX representa el porcentaje de carbono que se especifica dentro de un rango, por ejemplo el acero SAE 1045 tiene entre 0,43 y 0,48% de carbono. Existen otras clasificaciones de los aceros según las diferentes normas y usos, así por ejemplo el acero utilizado en la construcción metálica, según el CIRSOC se denominará F-24, F-26, F-32, siendo en número que acompaña a la F el valor de la tensión de fluencia del acero correspondiente. Mientras que el acero usado para Hormigón armado se denominará, según el CIRSOC, acero tipo I, II, III, IV. Las fundiciones , en cambio son más usadas en mecánica y son aleaciones de Fe-C-Si en las que el contenido de C es superior al 2%. Resultan excelentes para el moldeo por sus temperaturas de fusión relativamente bajas, porque no forman capas superficiales indeseadas durante la colada, y por experimentar una contracción moderada durante la solidificación y el enfriamiento. Esto permite obtener piezas con formas complejas, aunque las propiedades mecánicas serán inferiores a las aleaciones de forja. La resistencia es variable según el tipo de fundición. Las aleaciones no ferrosas no tienen como base el hierro, son muy usadas en distintas aplicaciones en la construcción.

 Cobre y sus aleaciones: tiene una temperatura de fusión elevada y una excelente conductividad eléctrica por lo cual las aleaciones de cobre resultan un material idóneo para la fabricación de cables eléctricos, además su excelente conductividad térmica permite su uso en radiadores. Es fácilmente conformable en frío. Posee una resistencia de aproximadamente 350MPa y un alargamiento porcentual del 40%. Es un material criogénico ya que a temperaturas muy bajas (- 196º) aumenta su resistencia mecánica un 50%. Es excesivamente blando y fácilmente soldable. Muestra excelente resistencia a la corrosión en agua de mar y otros ambientes corrosivos, aunque es atacado por los halógenos en húmedo. Siempre está recubierto por una capa protectora de óxido, que crece con la temperatura y puede llegar a descamarse. Al oxidarse, se cubre de una pátina verdosa y esto hace que se emplee en ocasiones por motivos decorativos en arquitectura. La adición de aleantes busca mejorar las propiedades mecánicas y la resistencia al desgaste aunque perjudica la conductividad.

• latones: aleaciones de cobre y zinc, se usan en tuberías, instrumentos musicales, monedas o en arquitectura. La conductividad térmica y eléctrica disminuye al aumentar el contenido de zinc, pero aumenta la resistencia y empeora el comportamiento a la corrosión.
• Bronces: aleaciones de cobre y estaño. Se usaba mucho en algunos elementos de instalaciones sanitarias por ejemplos canillas. La resistencia