Introducción a la Ciencia de los Materiales

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Introducción a la Ciencia de los
Materiales
Autor: Diana Ofelia Flores Cruz
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Presentación del curso
Miremos donde miremos los materiales forman parte de nuestro mundo.

Este curso se ocupa principalmente de las propiedades, clasificación, procesamiento
y usos de las diversas manisfestaciones de la materia en el Universo.

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1. Propiedades de los materiales. (Mecánicas)
[ http://www.mailxmail.com/...-introduccion-ciencia-materiales/propiedades-materiales-mecanicas]
Este curso esta pensado para personas que tengan conocimientos básicos de Química y
Física, ya que manejo varios conceptos básicos de estas ciencias sin una definición previa de
mi parte.
Ahora sí, comencemos.
La Ciencia de los Materiales se ocupa principalmente de las propiedades, clasificación,
procesamiento y usos de las diversas manisfestaciones de la materia en el Universo. En este
curso, omitiremos lo referente al procesamiento y nos concentraremos en los otros tres
aspectos.
El comportamiento de los materiales queda definido por su estructura. a nivel
microscópico, la estructura eléctronica de un átomo determina la naturaleza de los enlaces
atómicos que a su vez contribuye a fijar las propiedades de un material dado.
En forma general, las propiedades se separan para su estudio en dos grandes ramas:
propiedades físicas y propiedades mecánicas.
Propiedades mecánicas: Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas,
incluyendo fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas
temperaturas. A continuación, se definen las que mencionaremos más adelante:
- Tenacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin deformarse ni
romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.
- Elasticidad: Consiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su forma y
dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación.
- Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.
- Fragilidad: Un material es frágil cuando se rompe fácilmente por la acción de un choque.
- Plasticidad: Aptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones
permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que se produzca rotura.
- Ductibilidad: Considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen
ciertos metales para poder estirarse en forma de hilos finos.
- Maleabilidad: Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar
algunos metales en láminas delgadas.
Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos:
- Ensayo de tracción: Ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un
material.
- Ensayos de dureza: Permiten conocer el grado de dureza del material.
- Ensayos al choque: Su práctica permite conocer la fragilidad y tenacidad de un material.
- Ensayos tecnológicos: Ponen de manifiesto las características de plasticidad que posee un
material para proceder a su forja, doblado, embutido, etc.
Propiedades físicas: Dependen de la estructura y procesamiento del material. Describen
características como color, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y
comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerza que actúan sobre el material.
Pueden dividirse en : eléctricas, magnéticas y ópticas.
En capítulos posteriores estudiaremos por separado estos grupos y las definiciones de
las distintas propiedades que los confoman.



2. Propiedades de los materiales. (Eléctricas)
[ http://www.mailxmail.com/...introduccion-ciencia-materiales/propiedades-materiales-electricas]
Ahora, le daremos un vistazo a lo que implica el primer grupo que mencionamos
dentro de las propiedades físicas. Recuerda, este curso es tan sólo una introducción.
Propiedades eléctricas: Describen el comportamiento eléctrico del metal, el cual en
muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico. Existe también
el comportamiento dieléctrico, propio de los materiales que impiden el flujo de
corriente eléctrica, que va más allá de simplemente proporcionar aislamiento.
Los electrones son los portadores de carga en los materiales conductores,
semiconductores y muchos de los aislantes; en los compuestos iónicos son los
iones quienes transportan la mayor parte de la carga. La movilidad de los portadores
depende de los enlaces atómicos, de las imperfecciones de la red, de la
microestructura y, en los compuestos iónicos, de las velocidades de difusión.
La aplicación de un campo magnético genera la formación y el movimiento de
dipolos contenidos en el material. Estos dipolos son átomos o grupos de átomos
que tienen carga desequilibrada. Dentro de un campo eléctrico aplicado los dipolos
se alinean causando polarización. Existen cuatro mecanismos de polarización:
- Polarización electrónica. Consiste en la concentración de los electrones en el lado
del núcleo más cercano al extremo positivo del campo. Esto implica una distorsión
del arreglo electrónico, en la que el átomo actúa como un dipolo temporal inducido.
Este efecto, que ocurre en todos los materiales es pequeño y temporal.
- Polarización iónica. Los enlaces iónicos tienden a deformarse elásticamente
cuando se colocan en un campo eléctrico. En consecuencia la carga se redistribuye
minúsculamente dentro del material. Los cationes y aniones se acercan o se alejan
dependiendo de la dirección de campo. Estos dipolos temporalmente inducidos
causan polarización y también pueden modificar las dimensiones generales del
material.
- Polarización molecular. Algunos materiales contienen dipolos naturales, que, al
aplicárseles un campo giran, hasta alinearse con él. En algunos materiales, como el
titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de haberse eliminado
la influencia del campo externo.
Anteriormente, al hablar de polarización iónica, mencionamos la posibilidad de que
hubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se conoce como
electrostricción, además de darse por cambios en la longitud de los enlaces entre
iones, puede ser resultado de la actuación de los átomos como partículas en forma
oval en vez de esférica o por distorsión debida a la orientación de los dipolos
permanentes del material
Sin embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional: cuando se
les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un voltaje o un
campo. Los materiales que presentan este comportamiento son piezoeléctricos.
Cuando se encuentran entre capas de material conductor, los materiales dieléctricos
que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta propiedad se describe
mediante:



- Constante dieléctrica, que es la relación de la permisividad del material con la
permisividad en el vacío.
- Resistencia dieléctrica. Es el campo dieléctrico máximo que puede mantener un
material entre conductores.
La presencia de polarización en un material después de que se retira el campo
eléctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos
permanentes. Esto sucede de la siguiente forma: se toma un cristal cuyos dipolos se
encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no hay polarización neta; al
aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con dicho campo; finalmente,
el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la polarización máxima o de
saturación; cuando posteriormente se retira el campo, queda una polarización
remanente, debida al acoplamiento de dipolos y el material ha quedado
permanentemente polarizado. Los materiales que retienen una polarización neta,
una vez retirado el campo se conocen como ferroeléctricos.
Para que el material dieléctrico almacene energía, se debe impedir que los
portadores de carga como iones y electrones se muevan de un conductor a otro a
través de él, en consecuencia, los materiales dieléctricos tienen siempre una alta
resistividad eléctrica.
Materiales utilizados para aislar el campo eléctrico deben poseer alta resistividad
eléctrica, alta resistencia dieléctrica y un bajo factor de pérdida. Sin embargo, una
constante dieléctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar a ser indeseable.
Una constante dieléctrica pequeña impide la polarización, por lo que no se
almacena carga localmente en el aislante.
Esto es lo esencial respecto a las propiedades eléctrica de los materiales. En nuestra
próxima entrega, estudiaremos las propiedades magnéticas.



3. Propiedades de los Materiales. (Magnéticas)
[ http://www.mailxmail.com/...introduccion-ciencia-materiales/propiedades-materiales-magneticas]
En el capítulo anterior revisamos algunos aspectos de las propiedades elétricas. Ahora,
veremos lo relativo a las propiedades magnéticas.
Propiedades magnéticas: El comportamiento magnético esta determinado por las
interacciones entre dipolos magnéticos, estos dipolos a su vez están dados por la
estructura electrónica del material. Por lo tanto, al modificar la microestructura, la
composición o el procesamiento se pueden alterar las propiedades magnéticas.
Los conceptos que definen los efectos de un campo magnético en un material son:

Concepto Definición
Momento magnético. Intensidad de campo magnético asociado con el electrón.
Permeabilidad
El material amplifica o debilita el efecto del campo magnético.
magnética.
Representa el incremento en la inducción magnética debida al
Magnetización.
material del núcleo.
Susceptibilidad Es la relación entre la magnetización y el campo aplicado,
magnética. proporciona la amplificación dada por el material.

Así, cuando se acerca un campo magnético a un conjunto de átomos es posible observar
diversas reacciones:
- Diamagnetismo: El campo magnético influye en los momentos magnéticosde los
electrones dentro del átomo y produce un dipolo para todo los átomos. Estos dipolos se
oponen al campo magnético, haciendo que la magnetización sea menor a cero.
- Paramagnetismo: Debido a la existencia de electrones no apareados, a cadaátomo se le
asocia un momento magnético neto, causado por el giro de los electrones. Cuando se aplica
un campo magnético, los dipolos se alinean con él, resultando una magnetización positiva.
Pero, dado que los dipolos no interactúan, para alinearlos se requieren campos magnéticos
extremadamente grandes. Además, en cuanto se elimina el campo, el efecto se pierde.
- Ferromagnetismo: Es causado por los niveles de energía parcialmente ocupados del nivel
3d del hierro, el níquel y el cobalto. Consiste en la fácil alineación de los dipolos
permanente no apareados con el campo magnético aplicado, debido a la interacción de
intercambio o al refuerzo mutuo de los dipolos. Esto significa que aún con campos
magnéticos pequeños se obtienen magnetizaciones importantes, con permeabilidad relativa
de hasta 106.
- Antiferromagnetismo: Los momentos magnéticos producidos en dipolos vecinos se
alinean en el campo magnético oponiéndose unos a otros, aún cuando la intensidad de
cada dipolo sea muy alta. Esto produce una magnetización nula.
- Ferrimagnetismo: Se da principalmente en materiales cerámicos, donde diferentes iones
crean momentos magnéticos distintos, causando que, en un campo magnético los dipolos
de ion A pueden alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del ion B pueden
oponérsele. Como las intensidades de los dipolos son distintas, el resultado será una
magnetización neta. Así, los materiales con este tipo de comportamiento pueden dar una
buena intensificación del campo aplicado.
Este es un capítulo corto, en compensación por todo lo que tuviste que estudiar en el


anterior. Espero que haya sido de utilidad para ti. ¡Suerte y hasta la próxima!



4. Propiedades de los Materiales.(Ópticas I)
[ http://www.mailxmail.com/...-introduccion-ciencia-materiales/propiedades-materiales-opticas-1]
Esta es la primera de dos entregas acerca de las propiedades ópticas.
Propiedades ópticas: Se relacionan con la interrelación entre un material y las radiaciones
electromagnéticas en forma de ondas o partículas de energía, conocidas como fotones.
Estas radiaciones pueden tener características que entren en nuestro espectro de luz
visible, o ser invisibles para el ojo humano. Esta interacción produce una diversidad
de efectos, como absorción, transmisión, reflexión, refracción y un comportamiento
electrónico.
Fenómenos Ópticos. Al interactuar con la estructura electrónica o cristalina de un material,
los fotones de una fuente externa crean varios fenómenos ópticos. Si los fotones incidentes
interactúan con los electrones de valencia pueden ocurrir varias cosas: los fotones ceden
energía al material, en cuyo caso hay absorción; o puede ser que cuando los fotones aportan
energía, de inmediato el material emite electrones de idéntica energía, de forma que se
produce reflexión. También puede que los fotones no interactúen con la estructura
electrónica del material, en ese caso ocurre la transmisión. En cualquiera de estos tres
casos, la velocidad de los fotones cambia; este cambio propicia la refracción.
Un rayo incidente de intensidad I0 parcialmente puede reflejarse, absorberse y transmitirse.
Esta intensidad I0 se puede expresar como:
I0 = Ir + Ia + It
donde Ir es la porción reflejada, Ia es la parte absorbida e It es la porción transmitida a
través del material. Determinar el comportamiento de los fotones respecto al material es
necesario conocer varios factores internos de este, particularmente la energía requerida
para excitar un electrón hacia un estado de energía más elevado.
Ahora examinaremos cada uno de estos cuatro fenómenos:
- Refracción. Cuando un fotón es transmitido provoca la polarización de electrones en el
material y, al interactuar con el material polarizado, pierde parte de su energía. La velocidad
de la luz se puede relacionar con la facilidad con la cual un material se polariza tanto
eléctricamente (permisividad) como magnéticamente (permeabilidad).
Sin embargo, los materiales ópticos no son magnéticos, por tanto la permeabilidad puede
no tomarse en cuenta.
Dado que la velocidad de los fotones disminuye, cuando el haz entra al material cambia de
dirección. Suponiendo que un haz de fotones viaja en el vacío e incide sobre un material, a y
b son los ángulos que los haces incidentes y refractados tienen con el plano de la superficie
del material, entonces:
n = c = l vacío= sen a
v l sen b
La relaciónn es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad
de la luz dentro del material. Si los fotones viajan en el material 1 y de ahí pasan al material
2, las velocidades de los haces incidentes y refractados dependen de la relación entre sus
índices de refracción.
v1 = n 1 = sen a
v2 n2 sen b
Con la última expresión de esta igualdad podemos determinar si el haz será transmitido


como un haz refractado o si se reflejará. Si el ángulo b es igual a 90°, el haz que viajaba a
través del material se refleja.
Cuando el material ser polariza fácilmente habrá más interacción de fotones con la
estructura electrónica del mismo. Entonces, es de esperarse una relación entre el índice de
refracción y la constante dieléctrica del material.
- Reflexión. Cuando un haz de fotones golpea un material, éstos interactúan con los
electrones de valencia y ceden su energía. Cuando las bandas de valencia no están
totalmente ocupadas, cualquier radiación, de casi cualquier longitud de onda, excita a los
electrones hacia niveles superiores de energía. Podría esperarse que, si los fotones son
totalmente absorbidos, no se reflejaría luz y el material aparecería de color negro. Sin
embargo, cuando fotones de longitud casi idéntica vuelven a ser emitidos, mientras que los
electrones excitados regresan a sus niveles inferiores de energía, ocurre la reflexión. Dado
que la totalidad del espectro visible se refleja, los materiales con esta propiedad tienen un
color blanco o plateado (en los metales).La reflectividadR da la fracción del haz incidente
que se refleja y está relacionada con el índice de refracción. Si el material esta en el vacío o
en el aire:
R= n- 1
n+ 1
Si el material está en algún otro medio, con un índice de refracción n i entonces:
R= n- n i
n+ n i
Los materiales con alto índice de refracción tienen mayor reflectividad que aquellos cuyo
índice es bajo. La reflectividad y el índice de refracción varían con la longitud de onda de los
fotones.
- Absorción. La porción de haz incidente que no es reflejada por el material esabsorbida o
transmitida a través del mismo. La fracción de luz absorbida está relacionada con el espesor
del material y la forma en la cual los fotones interactúan con su estructura. La intensidad del
haz, después de pasar a través del material, está dada por:
I = I0 exp (-m x)
donde x es la trayectoria a través de la cual se mueven los fotones (por lo general, el
espesor del material), m es el coeficiente lineal de absorción del material para los fotones, I0
es la intensidad del haz, después de reflejarse en la superficie delantera, e I es la intensidad
del haz cuando llega a la superficie trasera.
La absorción ocurre debido a varios mecanismos. En la dispersión de Raleigh, el fotón
interactúa con electrones en órbita y sufre una deflexión sin cambios de energía; este
resultado es más significativo para átomos con alto número atómico y para fotones de baja
energía. La dispersión Compton es causada por la interacción entre electrones en órbita y
fotones; así, el electrón es expulsado del átomo y, por tanto, consume parte de la energía
del fotón. De nuevo, átomos con números atómicos más altos y energías de fotón menores
causan mayor dispersión. El efecto fotoeléctrico se presentará cuando al energía del fotón
se consuma al romperse la unión entre el electrón y su núcleo. Conforme la energía del
fotón aumenta (reduciendo la longitud de onda), ocurrirá menos absorción, hasta que el
fotón tenga una energía igual a la de la unión. A este nivel de energía, el coeficiente de
absorción se incrementa de manera significativa. La energía o longitud de onda a la que
esto ocurre se conoce como margen de absorción. Cuando los fotones no interactúan con
imperfecciones del materia, se dice que éste es transparente. Éste es el caso del vidrio,
cerámicos cristalinos de alta pureza y de polímeros amorfos como acrílicos, policarbonatos
y polisulfones.
- Transmisión. La fracción del haz que no ha sido reflejada ni absorbida se transmite a
través del material. Podemos determinar la fracción del haz que se ha transmitido por


medio de la siguiente ecuación.
I t= I0 (1- R )2 exp (-m x)
De nuevo observamos que la intensidad del haz transmitido dependerá de la longitud de
onda de los fotones dentro del haz. Si sobre un material incide un haz de luz blanca y se
absorben, se reflejan y se transmiten fracciones equivalentes de fotones con longitudes de
onda diferentes, el haz transmitido también será de luz blanca. Pero, si los fotones de
longitud de onda más larga son absorbidos en mayor proporción que los de longitud de
onda más corta, la luz transmitida aparecerá del color de la longitud de onda corta cuya
absorción haya sido menor. La transparencia no es otra cosa que la transmisión íntegra de
los haces de luz que inciden sobre el material y la intensidad del haz también depende de
características microestructurales.
Cuando cualquiera de estos tres fenómenos ópticos se da de forma que solo fotones con
un intervalo específico de longitud de onda son absorbidos, reflejados o transmitidos, se
producen propiedades ópticas poco comunes, que se traducen en cambios de color
(policromía), colores característicos (como el rojo del láser de rubí dopado), etc.
En el siguiente capítulo continuaremos con el estudio de fenómenos ópticos, esta vez
considerando los casos en que los fotones son emitidos por un material.



5. Propiedades de los Materiales. (Ópticas II)
[ http://www.mailxmail.com/...-introduccion-ciencia-materiales/propiedades-materiales-opticas-2]
Ahora, terminaremos nuestro estudio de las propiedades ópticas con el tema de los
fenómenos de emisión.
Fenómenos de emisión. Un material puede emitir fotones cuya energía E está dada por la
siguiente ecuación:
E = hv = hc
l
c es la velocidad de la luz (3x1010 cm/s) y h es la constante de Planck (6.62x10-14 J × s).
Esta ecuación permita considerar al fotón como una partícula de energía E o como una
onda, con longitud de onda frecuencia características. Dependiendo del origen de los
fotones, se pueden producir radiaciones en una gran gama de longitudes de onda.
A continuación se presentan algunos ejemplos específicos de este tipo de fenómenos:
- Rayos Gamma - Interacciones nucleares. Los rayos gamma son fotones de energía muy
elevada, emitidos durante la descomposición radiactiva de núcleos inestables de ciertos
átomos. Así la energía de los rayos gamma depende de la estructura del núcleo que los
origina.
- Rayos X - Interacciones en las capas internas de los electrones. Los rayos X cuya energía
es ligeramente menor que la de los rayos gamma, son producidos al estimular los
electrones de las capas internas del átomo. Este estímulo puede consistir en electrones de
alta energía u otro rayo X. Así se emiten rayos X de espectro continuo y espectro
característico. Cuando un electrón de alta energía golpea un material, al desacelerarse cede
energía, que es emitida en forma de fotones. Cada vez que el electrón golpea un átomo,
cede una parte adicional de su energía; cada una de estas interacciones puede ser más o
menos severa, por lo que en cada ocasión el electrón cede una fracción distinta de su
energía, produciendo fotones de longitudes de onda diferentes, produciendo un espectro
continuo. Si el electrón perdiera toda su energía en un solo impacto, la longitud de onda
mínima de los fotones emitidos sería el equivalente a la energía original del estímulo; esta
longitud de onda mínima se conoce como límite de longitud de onda corta. Este límite se
reduce al aumentar la energía del estímulo, lo que incrementa el número y la energía de los
fotones emitidos. El estímulo también puede tener energía suficiente para excitar un
electrón de un nivel inferior de energía y pasarlo a un nivel superior. El electrón excitado no
es estable y , a fin de restaurar el equilibrio, el nivel inferior no ocupado se llena con
electrones provenientes de un nivel superior. Este es el proceso que emite un espectro
característico de rayos x, que es diferente para cada tipo de átomo.
- Luminiscencia - Interacciones de las capas exteriores de electrones. La luminiscencia es la
conversión de radiaciones y otras formas de energía en luz visible. Ocurre cuando una
radiación incidente excita electrones de la banda de valencia, para pasar a través de la
brecha de energía y haciéndolos llegar finalmente a la banda de conducción. Estos
electrones excitados se quedan brevemente en niveles superiores de energía, y cuando
regresan a la banda de valencia emiten fotones. Si la longitud de onda de estos fotones
está dentro de la parte del espectro que es visible al ojo humano, aparecerá la luminiscencia.
- Diodos emisores de luz - Electroluminiscencia. Los diodos emisores de luz (LED) se basan
en la aplicación de un voltaje externo, que causa transiciones electrónicas y
electroluminiscencia. Estos dispositivos de unión p - n están diseñados de forma que Eg este
dentro de nuestro espectro de luz visible. Un voltaje aplicado al diodo en dirección de
polarización directa hace que en la unión se recombinen huecos y electrones, lo que obliga a
estos a emitir fotones.


- Láser - Amplificación de la luminiscencia. El láser (siglas en inglés de light amplification
by stimulated emisión of radiation, o amplificación de la luz mediante emisión estimulada
de radiación), es una aplicación especial de la luminiscencia. Al calentarse un material, los
electrones saltan de la banda de valencia hacia la banda de conducción, dejando atrás
"huecos" en la banda de valencia. Cuando un electrón vuelve a la banda de valencia
recombinándose con un hueco, se produce un fotón, con energía y longitud de onda
equivalentes a la brecha de energía. Este fotón estimula otro electrón, para que baje de la
banda de conducción hacia la banda de valencia, creando un segundo fotón con longitud de
onda y frecuencia idénticas y en fase con el primer fotón. Así, los fotones emitidos en el
material se amplifican. Seleccionando cuidadosamente el estimulante y el material, podemos
hacer que la longitud de onda de los fotones caiga dentro de nuestro espectro de luz
visible. La salida del láser es un haz de fotones paralelos y coherentes, de una misma
longitud de onda. En un haz coherente, la naturaleza ondulatoria de los fotones está en
fase, por lo que no ocurren interferencias destructivas. Los rayos láser son útiles en
tratamiento térmico y fusión de metales, en soldadura, cirugía, cartografía, en la
transmisión y procesamiento de información y otras aplicaciones.
- Emisión térmica. Al calentarse un material, los electrones se excitan térmicamente hasta
llegar a niveles energéticos superiores, particularmente en los niveles superiores de energía,
donde los electrones están débilmente unidos al núcleo. De inmediato estos regresan a sus
niveles normales, liberando fotones. Conforme se incrementa la temperatura, la agitación
térmica aumenta y también la máxima energía de los fotones emitidos. Se emite un espectro
continuo de radiación, con una longitud de onda mínima y una distribución de intensidad
dependientes de la temperatura. Algunos de los fotones pueden tener longitudes de onda
dentro de nuestro espectro visible, por lo que el color del material cambiará con la
temperatura. A temperaturas bajas, la longitud de onda de la radiación es demasiado larga
para ser vista. Conforme la temperatura asciende, los fotones emitidos son de longitudes
más cortas. A los 700 ° C comienza a verse un tinte rojizo y de esta temperatura en
adelante, se producen todas las longitudes de onda visibles, hasta que es espectro emitido
es una luz blanca. Midiendo con un pirómetro la intensidad de una banda estrecha de las
longitudes de onda emitidas, se puede estimar la temperatura del material.
Con esto finalizamos lo referente a las propiedades de los materiales.
En la próxima entrega nos dedicaremos a la clasificación general de los materiales y
comenzaremos a estudiar lo referente al grupo de los metales.



6. Clasificación de los materiales.(Metales I)
[ http://www.mailxmail.com/...ntroduccion-ciencia-materiales/clasificacion-materiales-metales-1]
A partir de este capítulo empezaremos a estudiar las características de cada uno de
los grupos de materiales.
Los materiales se clasifican generalmente en cinco grupos: metales, cerámicos,
polímeros, semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno
de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas.
Metales. Tienen como característica una buena conductividad eléctrica y térmica,
alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones
estructurales o de carga. Las aleaciones (combinaciones de metales) conceden
alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una
mejor combinación de propiedades.
Cerámicos. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica y son usados a menudo
como aislantes. Son fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas
de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este
grupo de materiales se encuentran: el ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios
y los abrasivos.
Polímeros. Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas
orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe
evitarse su uso a temperaturas elevadas. Los polímeros termoplásticos, en los que
las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena
ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más
resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los
hacen más frágiles. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas en dispositivos
electrónicos.
Semiconductores. Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en
dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.
Materiales compuestos. Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos
o más materiales de distinto grupos, produciendo propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.
Ahora, comencemos con el grupo de los metales.
De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser
clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más
externos en un átomo neutro son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa
de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y maleabilidad.
El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sin
embargo, toleran un considerable cantidad de elementos en estado sólido o líquido.
Así, la mayor parte de los materiales metálicos comúnmente usados son mezclas de
dos o más metales elementales. Es posible realizar estas mezclas de varias maneras,
pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arriba de su punto de
fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denomina aleación.
El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los productos metalúrgicos en las


siguientes clases:
F Aleaciones férreas
L Aleaciones ligeras
C Aleaciones de cobre
V Aleaciones varias
Cada clase contiene series de materiales caracterizados por una aplicación común; a
su vez, cada serie se divide en grupos de materiales con características afines y
específicas. Y el grupo esta compuesto por individuos que indican un tipo definido
del material considerado. Así, la identificación de un producto determinado depende
de la indicación:
Clase- Serie- Grupo- Individuo
Ejemplo: F-517 donde:
F = Aleación férrea
5 = Acero para herramientas
1 = Grupo de aceros de carbono
7 = Composición
Aleaciones Férreas.
Son las sustancias férreas que han sufrido un proceso metalúrgico. También
llamados productos siderúrgicos, pueden clasificarse en: Hierro. Aceros.
Fundiciones. Ferroaleaciones. Aleaciones férreas especiales. Conglomerados férreos.
De todos estos productos siderúrgicos, son los aceros y fundiciones los empleados
por excelencia en la fabricación mecánica y ya en menor proporción, los
conglomerados no férreos. De estos últimos hablaremos de forma más amplia en
capítulos posteriores.
Hierro.
Nombre de un elemento químico, blanco-gris, peso especifíco 7.85, punto de fusión
1530 ° C, peso atómico 55.84, No. Atómico 26, insoluble, punto de ebullición
2450° C, magnético hasta los 770° C, resistencia a la tracción 25 Kg /mm2.
También aplica a los hierros industriales que son productos siderúrgicos de los que,
solamente con carácter de impurezas pueden formar parte otros elementos.
El hierro puro carece de una gran variedad de usos industriales debido a sus bajas
características mecánicas y la dificultad de su obtención. Encuentra aplicaciones en
la industria eléctrica dadas sus cualidades de permeabilidad magnética.
En los capítulos siguientes trataremos los restantes subgrupos y sus características.



7. Clasificación de los materiales. (Metales II: Aceros)
[ http://www.mailxmail.com/...uccion-ciencia-materiales/clasificacion-materiales-metales-aceros]
Continuando con los metales, este capítulo esta enteramente dedicado al siguiente
subgrupo de la lista de aleaciones férreas, los aceros, debido a que actualmente
tienen un lugar preponderante entre los materiales metálicos.
Acero.
Es una aleación de hierro y carbono, que puede contener otros elementos, en la que
el contenido de carbono oscila entre 0.1 a 1.7 %, no rebasa el límite de su saturación
al solidificar quedando todo él en solución sólida.
El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas del
acero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y la
dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil.
Clasificación de los aceros.
El Instituto del Hierro y del Acero clasifica los aceros en las siguientes series:
F-100 Aceros finos de construcción general.
F-200 Aceros para usos especiales.
F-300 Aceros resistentes a la corrosión y oxidación.
F-400 Aceros para emergencia.
F-500 Aceros para herramientas.
F-600 Aceros comunes.
Cada una de estas series de subdivide en grupos, obteniendo:
Grupo F-110 Aceros al carbono.
Grupo F-120 Aceros aleados de gran resistencia.
Grupo F-130 " "
Grupo F-140 Aceros aleados de gran elasticidad.
Grupo F-150 Aceros para cementar.
Grupo F-160 " "
Grupo F-170 Aceros para nitrurar.
Grupo F-210 Aceros de fácil mecanizado.
Grupo F-220 Aceros de fácil soldadura.
Grupo F-230 Aceros con propiedades magnéticas.
Grupo F-240 Aceros de alta y baja dilatación
Grupo F-250 Aceros de resistencia a la fluencia.



Grupo F-410 Aceros de alta resistencia.
Grupo F-420 " "
Grupo F-430 Aceros para cementar.
Grupo F-510 Aceros al carbono para herramientas.
Grupo F-520 Aceros aleados.
Grupo F-530 " "
Grupo F-540 " "
Grupo F-550 Aceros rápidos.
Grupo F-610 Aceros Bessemer.
Grupo F-620 Aceros Siemens.
Grupo F-630 Aceros para usos particulares.
Grupo F-640 " "
Formas comerciales del acero.
El acero que se emplea para la construcción mecánica y metálica tiene tres formas
usuales: barras, perfiles y palastros.
Barras. Se obtienen en laminación y trefilado en hileras pudiendo obtener secciones
de las siguientes formas:
Pletinas. Cuando el espesor es igual o menor de la décima parte del ancho de la
sección. Cuando el espesor es más delgado, se llaman flejes.
Media caña o pasamanos.
Triángulo
Cuadrado
Hexágono y 120 mm. El acero dulce con d £ 5 y grandes
Redondo
Perfiles. Se obtienen por laminación, siendo su longitud de 4 a 12 m. los más
corrientes son:
Doble T Utilizadas como vigas las hay hasta de 600 mm de altura.
U Forma vigas compuestas. Hasta 300mm de altura
Zeta De dimensiones comprendidas entre 30 a 200 mm
Tubo Que puede ser de sección cuadrada, circular, etc.
Aceros: composición química.
En el acero, además de hierro y carbono como elementos fundamentales,
intervienen elementos accidentales, entre ellos el azufre y el fósforo, que dada su
afinidad con el acero, son difíciles de eliminar, no obstante se reducen a


afinidad con el acero, son difíciles de eliminar, no obstante se reducen a
proporciones inofensivas (< 0.05 %); otros elementos facilitan la obtención, como el
silicio y el manganeso que adicionados en pequeñas proporciones (0.2 a 0.9 %)
evitan la oxidación del metal fundido, el resto (97.5 a 99.5%) es hierro. Los aceros
con esta composición se llaman aceros al carbono.
Atendiendo al porcentaje de contenido en carbono, estos aceros suelen
denominarse como se indica en el siguiente cuadro:

Porcentaje de Carbono Denominación Resistencia
0.1 a 0.2 Aceros extrasuaves 38 - 48 Kg / mm2
0.2 a 0.3 Aceros suaves 48 - 55 Kg / mm2
0.3 a 0.4 Aceros semisuaves 55 - 62 Kg / mm2
0.4 a 0.5 Aceros semiduros 62 - 70 Kg / mm2
0.5 a 0.6 Aceros duros 70 - 75 Kg / mm2
0.6 a 0.7 Aceros extraduros 75 - 80 Kg / mm2

Aceros aleados y especiales.
Además de los elementos de los aceros al carbono, tienen adicionados elementos
como: cromo, níquel, molibdeno, tungsteno, vanadio, etc., la adición de tales
elementos modifica o mejora las propiedades del acero. Los efectos que
proporciona cada uno de los elementos son los siguientes:
Azufre.
Se encuentra en los aceros como impureza, se toleran porcentajes hasta un 0.05 %,
en caliente produce una gran fragilidad del acero, sus efectos perjudiciales pueden
neutralizarse en parte con la adición del manganeso, que se combina con él
formando sulfuro de manganeso. A veces se adiciona en proporciones de 0.1 a 0.3
% con un contenido mínimo de manganeso de 0.6 %, dando lugar a aceros llamados
de fácil mecanización, que tienen menor resistencia, pero pueden ser trabajados con
velocidades de corte doble que un acero corriente.
Cobalto.
Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la
herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las
propiedades magnéticas de los aceros.
Cromo.
Forma carburos muy duros y comunica al mayor dureza, resistencia y tenacidad a
cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros
características de inoxidables y refractarios.
Manganeso.
Se utiliza fundamentalmente como desoxidante y desulfurante de los aceros.
Molibdeno.
Junto con el carbono es el elemento más eficaz para endurecer el acero. Evita la
fragilidad.


Níquel.
Aumenta la resistencia de los aceros, aumenta la templabilidad proporciona una
gran resistencia a la corrosión.
Plomo.
El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos
glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por
arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen
lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el
contenido de carbono a valores inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado
y disminuye la tenacidad en caliente.
Silicio.
Se emplea como desoxidante en la obtención de los aceros, además les proporciona
elasticidad. Si la proporción es elevada (1 a 5%) los aceros tienen buenas
características magnéticas.
Tungsteno.
Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien
altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con
los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para
herramientas.
Vanadio.
Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro,
que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder
cortante en los aceros para herramientas.
Toda esta información es sólo la punta del iceberg respecto a los aceros, sin
embargo es más que suficiente material de estudio para un capítulo. En la
próxima entrega, tendremos lo correspondiente a fundiciones, ferroaleaciones,
aleaciones férreas especiales y conglomerados férreos.



8. Clasificación de los materiales. (Metales III)
[ http://www.mailxmail.com/...ntroduccion-ciencia-materiales/clasificacion-materiales-metales-2]
Ahora, vamos completar nuestro estudio de los materiales metálicos férricos con los
últimos cuatro grupos.
Fundición.
Es una aleación de hierro y de carbono, pudiendo contener otros elementos ,
estando el carbono en una proporción superior al 1. 76 % (generalmente de 2 a 5 %),
valor que constituye el límite de saturación en la solidificación , formándose en tal
momento los constituyentes de carburo de hierro y grafito libre además del hierro.
Clasificación de las fundiciones.
Las características de una fundición no sólo dependen de su composición química,
sino también del proceso de elaboración, ambas cosas determinan la forma de
presentarse el carbono (combinado, en forma de grafito laminar, esferoidal, etc.)
Se distinguen dos grandes grupos de fundiciones: ordinarias, constituidas por
hierro, carbono y pequeñas impurezas y las especiales que además de lo anterior,
contienen uno o varios elementos que modifican sus características.
Las fundiciones ordinarias se pueden clasificar por el aspecto de su fractura
distinguiéndose las cuatro siguientes:
· Fundiciones negras
· Fundiciones grises
· Fundiciones blancas
· Fundiciones atruchadas
Fundiciones negras son aquellas que presentan facetas negras brillantes, muy
desarrolladas, formadas por cristales de grafito, su grano grueso.
Las fundiciones grises tienen un aspecto color gris brillante con grano fino. Estas
fundiciones contienen el carbono en estado grafítico repartido en finas laminas por
entre la masa de hierro. La fundición gris se emplea para ,la mayoría de las piezas
mecánicas que han de servir de soporte o de alojamiento de los mecanismos.
En las fundiciones blancas, el carbono esta completamente combinado con el hierro,
formando carburo de hierro (cementita) que es un constituyente muy duro, pero
frágil.
Fundiciones atruchadas, son intermedias entre la blanca y la gris, poseen
propiedades intermedias entre ambas fundiciones y su fractura presenta ambos
colores característicos.
Las fundiciones no permiten operaciones de forja.
La clasificación establecida por el Instituto del Hierro y el Acero de las fundiciones
utilizadas en al construcción mecánica es la siguiente:
Serie F-800 Fundiciones.


Grupo F-810 Fundiciones grises.
Grupo F-830 Fundiciones maleables.
Grupo F-840 Fundiciones maleables perlíticas.
Grupo F-860 Fundiciones nodulares.
Grupo F-870 Fundiciones especiales.
Fundición maleable
Es la obtenida a partir de una fundición blanca mediante el adecuado tratamiento
térmico, adquiriendo una aceptable maleabilidad.
Fundiciones nodulares
En estas fundiciones el grafito solidifica en forma de pequeñas esferas, gracias a la
adición de elementos tales como el cerio y el magnesio, con lo cual aumenta
considerablemente su resistencia a la tracción.
Fundiciones especiales.
Son fundiciones especiales aleadas con otros elementos tales como Mn, Cr, Mo, Ni,
Cu, etc. Logrando propiedades determinadas: alta resistencia a la tracción, al
desgaste, a las altas temperaturas, a la corrosión, etc.
Ferroaleaciones
Son productos siderúrgicos que, sin tener necesariamente un marcado carácter
metálico, contiene además del hierro uno o varios elementos (metales o metaloides)
que los caracterizan.
Las ferroaleaciones encuentran su empleo en la metalurgia para la fabricación de
aceros que han de responder a ciertas condiciones, así:
Ferromanganesos que se utilizan en la obtención de aceros al manganeso
Ferrocromos que se emplean en la obtención de aceros al cromo
Ferrosilicios utilizados en la obtención de aceros al silicio.
Ferrotungstenos sirven para la obtención de aceros rápidos para herramientas y
aceros para imanes.
Ferrovanadios y ferromolibdenos que se emplean para la fabricación de aceros al
vanadio y al molibdeno, respectivamente, etc.
Aleaciones Férreas especiales.
Son las que no pertenecen a ninguno de los grupos anteriores, pero contienen
hierro como metal base.
Conglomerados férreos
Son los productos obtenidos para la unión entre sí, de partículas de sustancias
férreas con tal coherencia que resulte una masa compacta.
A partir de la siguiente entrega comenzaremos a estudiar lo referente a materiales
metálicos no férricos.



9. Clasificación de los Materiales. (Metales no
férricos)
[ http://www.mailxmail.com/...n-ciencia-materiales/clasificacion-materiales-metales-no-ferricos]
Bueno, ya que hemos terminado de ver las generalidades de los materiales
métalicos férricos, aún nos queda saber lo concerniente a aquellos materiales que
no tienen relación con el hierro.
Aluminio
Es un metal de color blanco plateado, siendo su principal característica su ligereza
que lo hace muy útil en variadas aplicaciones. Es dúctil y maleable, buen conductor
de la electricidad y del calor. Tiene un peso específico de 2.7 Kg / dm3 y funde a
los 667 °C. Su resistencia a la tracción es de unos 10 Kg / mm2 si es fundido o
recocido, valor que se duplica si esta laminado en frío (agrio); esta resistencia
decrece rápidamente si aumenta la temperatura, así: a 300 ° C su resistencia
disminuye a un tercio y a 500 ° C a un décimo de su valor en frío.
Se distinguen dos clases de aluminio: puro (99.88 % de Al) y técnico (99 % 98 %... de
Al). El primero se emplea excepcionalmente, mientras que el aluminio técnico
encuentra mayor campo de aplicaciones.
Aleaciones de aluminio.
Las propiedades mecánicas del aluminio mejoran considerablemente si se alea con
otros metales, tales como el cobre, magnesio, silicio, zinc, plomo, etc. En la norma
UNE 38.001 se establece la siguiente clasificación:
Serie L-200. Aleaciones ligeras de Al para moldeo.
Serie L-300. Aleaciones ligeras de Al para forja.
Serie L-400. Aleaciones ligeras de Al de alta fusión.
Cobre
Este metal puede encontrarse en estado nativo en la naturaleza, principalmente
formando compuestos minerales: pirita de cobre, cobre oxidado, etc. Su obtención a
partir de estos minerales es posible a través de tres procedimientos:
· Reduciendo el óxido de cobre en hornos apropiados, teniendo como producto el
cobre metalúrgico.
· Por medio del tratamiento con disolventes adecuados, lo que da un cobre muy
impuro al que hay que refinar.
· Por vía electrolítica, con lo que se obtiene un cobre muy puro.
Según su pureza, las características del cobre varían, manteniéndose dentro de los
siguientes límites:
- Densidad 8.8-8.9
- Punto de fusión 1,0564 ° C - 1,083° C
- Resistencia a la tracción 20 45 Kg. / mm2
Sólo se oxida superficialmente y su color rojizo se vuelve verdoso.


Sólo se oxida superficialmente y su color rojizo se vuelve verdoso.
El cobre es muy maleable pudiendo laminarse en hojas hasta de 0.02 mm de
espesor, también permite estirarlo en hilos finísimos. Sus principales aplicaciones
son: fabricación de hilos, cables, láminas, en instalaciones eléctricas, en la
construcción de recipientes y útiles diversos, además de en la fabricación de
múltiples aleaciones.
Denominación
La serie que denomina a los cobres es la C-100, siendo los respectivos grupos los
siguientes:
Grupo C-100 Cobres afinados.
Grupo C-130 Cobres exentos de oxígeno.
Grupo C-140 Cobres desoxidados.
Algunas de las aleaciones de cobre más conocidas son el bronce, que es la aleación
de cobre con estaño y el latón que es una aleación de cobre y zinc.
Zinc
Metal de color blanco azulado, de aspecto brillante en el corte reciente que pronto
se empaña al contacto con el aire, formándose una capa de superficial de
hidrocarbonato cíncico de aspecto mate, pero que servirá de protección al resto de
la masa contra una alteración más profunda.
Su peso específico es del orden de 7.1 Kg. / dm3, su temperatura de fusión 419 °
C. A bajas temperaturas e incluso a temperatura ambiente el zinc común es
bastante frágil., pero entre los 100 a 180 ° C es muy maleable, haciendo posible
conformar piezas a prensa incluso de perfiles complicados, por encima de los 205 °
C vuelve a ser frágil. La resistencia de la tracción de los productos laminados oscila
entre 14 a 25 Kg. / mm 2 según se encuentren recocidos o agrios. Es poco tenaz. El
aspecto de su fractura es cristalino grueso.
El zinc es atacado y disuelto en poco tiempo por los ácidos fuertes y también por
los álcalis hirvientes.
Aplicaciones
Este metal tiene hoy numerosas aplicaciones industriales, solo o aleado, por
ejemplo, con el cobre para formar latón o con pequeñas proporciones de aluminio
(14 %), cobre (1 %) y aún menor cantidad de manganeso para obtener la aleación
para fundir denominada ZAMAK. Además, es usado para recubrir y proteger contra
el óxido la chapa de hierro (metalizado y galvanizado)
Algunas de las formas comerciales del zinc sin alear son: chapa, tubo y alambre,
que encuentran aplicaciones en bajadas de agua, canalones, depósitos diversos,
electrodomésticos, etc.
Estaño
Metal mucho menos denso que el plomo, pero más que el zinc, es dúctil y brillante,
de color blanco plata. Su estructura es cristalina, cuando se dobla en varillas se oye
un crujido especial, llamado grito de estaño.
Tiene un peso específico de 7.29 Kg. / dm3, siendo su temperatura de fusión 223°
C. A temperaturas inferiores a los 18 °, el estaño se vuelve pulvurulento, y


constituye la variedad alotrópica denominada estaño gris de peso específico 5.8 Kg
/ dm3, comienza la transformación por uno o varios puntos y se propaga poco a
poco a toda la pieza, lo cual se conoce como lepra, peste o enfermedad del estaño.
El estaño es muy maleable, pudiendo ser laminado en hojas de papel de estaño de
algunas milésimas de milímetro de espesor. No se altera en frío al aire seco o
húmedo, es atacado por los ácidos y por las bases, por lo que hay que evitar el
traslado de estos productos en recipientes estañados de hojalata.
Aplicaciones
El estaño se puede emplear puro en forma de papel para la envoltura y conservación
de productos alimenticios, también se emplea en la industria eléctrica para hacer
láminas de condensadores. Asimismo se utiliza para proteger contra el óxido la
chapa de hierro (hojalata) con que se construyen recipientes y latería para envase de
productos.
Otro aspecto de las aplicaciones del estaño es su aleación con otros metales,
principalmente con cobre (en bronces), con plomo para obtener aleaciones de
soldadura blanda y con antimonio y cobre o antimonio y plomo para formar
materiales antifricción utilizados en cojinetes.
Plomo
Metal gris azulado, pesado, dúctil, maleable, blando, muy fusible, en contacto con
el aire se toma y empaña con facilidad, los compuestos son muy venenosos.
Tiene un peso específico de 11.35 Kg. / dm3 funde a 327.4 ° C y su resistencia a
tracción oscila entre 1.5 a 2 Kg. / mm2. Recién cortado presenta un brillo metálico y
su estructura es fibrosa. A pesar de que resiste bien el HCl y el H2SO4, el HNO3, los
halógenos y el vapor de azufre lo atacan.
Aplicaciones
El estaño puro se utiliza en planchas, empleadas en cubiertas; en recipientes
resistentes a ciertos reactivos ácidos; como elemento impermeable a la radiación; en
placas de baterías y acumuladores; como tubos para conducción de agua; en forma
de alambres, fusibles, perdigones, postas, etc.
Como elemento de aleación participa en la fabricación de aceros al plomo,
soldaduras blandas, metales antifricción además de bronces y latones especiales.
También encuentra aplicaciones en forma de óxidos, para la obtención de pinturas
de protección anticorrosiva.
Magnesio
Metal de color y brillo semejantes a los de la plata, es maleable, poco tenaz y ligero
como el aluminio.
Tiene un peso específico de 1.74 Kg / dm3 y su punto de fusión es de 650 ° C. En
estado líquido o en polvo es muy inflamable. Es inalterable en aire seco, pero es
poco resistente a la corrosión en atmósferas húmedas.
Aplicaciones
Suele utilizarse en la industria mecánica en forma de aleaciones existiendo
aleaciones de magnesio para forja, compuestas por magnesio y un 1 o 2 % de
manganeso (Magmanz) o compuesta por 8 o 9 % de aluminio de un 1 % de zinc y un


manganeso (Magmanz) o compuesta por 8 o 9 % de aluminio de un 1 % de zinc y un
0.2 % de manganeso y el resto de magnesio (magal), esta última tiene mayor
resistencia a la tracción que la primera, pero tiene el inconveniente de no ser
soldable.
Las aleaciones de magnesio debido a su ligereza ( nunca sobrepasan 1.8 Kg./dm3)
son muy utilizadas en la industria aeronáutica.
En nuestro próximo capítulo trataremos brevemente lo concerniente a los
diagramas de fase.



10. Diagramas de fase y comportamiento óptico de los
metales.
[ http://www.mailxmail.com/...n-ciencia-materiales/diagramas-fase-comportamiento-optico-metales]
En este breve capítulo trataremos los puntos básicos acerca de los diagramas de fases.
Diagramas de fase e interpretación.
Un sistema de aleaciones es la unión de dos o más metales en todas sus combinaciones
posibles, es decir, considerando todas las concentraciones posibles del metal A con el metal
B.
Un diagrama de fase es un esquema que muestra las fases y sus composiciones en cada
temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes dos
elementos se puede elaborar un diagrama de fases binario.
Cada fase tiene una composición expresada en porcentajes de cada uno de los elementos,
expresado en peso.
La curva superior en el diagrama es la temperatura de liquidus para las distintas aleaciones.
Esto significa que la aleación debe calentarse por encima de la temperatura acotada por
liquidus para hacerla completamente líquida y que empezará a solidificarse cuando se la
enfríe hasta la temperatura marcada por liquidus.
La temperatura de solidus es generalmente la curva inferior. Una aleación no estará
totalmente sólida sino hasta que se enfríe por debajo de la temperatur de solidus.
La diferencia de temperatura entre liquidus y solidus se denomina rango de solidificación .
Dentro de este rango coexistirán dos fases: una líquida y otra sólida.
El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases están presentes a cierta
temperatura, en el momento de diseñar un proceso de fabricación para un producto
metálico.
Varias combinaciones de dos elementos producen diagramas de fase complejos que
contienen reacciones que implican tres fases independientes. Existen cinco reacciones de
tres fases de mayor importancia en los diagramas binarios y son: eutéctica, peritéctica,
monotéctica, eutectoide y peritectoide.
Las reacciones eutéctica, peritéctica y monotéctica forman parte del proceso de
solidificación. Las aleaciones que se utilizan para fundición o soldadura aprovechan el bajo
punto de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fases de la aleaciones monotécticas
tiene un domo llamado zona de miscibilidad, en donde coexisten dos fases líquidas.. Las
reacciones peritécticas conducen a la solidificación fuera de equilibrio y a la segregación.
Las reacciones eutectoide y peritectoide son exclusivas del estado sólido. La reacción
eutectoide forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones,
incluyendo el acero. La reacción peritectoide es extremadamente lenta y produce indeseables
estructuras fuera de equilibrio.
Aleaciones eútecticas
Un sistema eutéctico es aquel en el cual cierta combinación de los componentes presenta
completa solubilidad en estado líquido, pero solubilidad sólida limitada, lo que significa que
cuando una aleación eutéctica solidifica, los átomos de los metales componentes se
segregan para formar regiones de los metales originales casi puros.
Las aleaciones eutécticas son frágiles por que la presencia de las fases insolubles inhibe el
deslizamiento. La resistencia y a veces la dureza de estas aleaciones llegan a sobrepasar las


de los metales componentes, debido a la estructura compuesta de la aleación.
Aparte, se denomina aleaciones hipoeutécticas a aquellas que cuya composición es menor
que la correspondiente a las eutécticas , así como aquellas cuyo contenido es mayor son
llamadas hipereutécticas.
Comportamiento Óptico de los metales.
El fenómeno de emisión conocido como luminiscencia no ocurre en los metales. Los
electrones simplemente son excitados para pasar a niveles superiores de energía de la
banda de valencia no totalmente ocupada y, cuando el electrón excitado regresa al nivel
inferior de energía, el fotón producido tiene una energía muy pequeña y una longitud de
onda superior a la de nuestro espectro de luz visible.
En cuanto a reflectividad, en los metales es típicamente del orden de 0.9 a 0.95. Esta alta
reflectividad es una de las razones por las cuales son opacos, es decir, que no transiten la
luz.
En los metales, el coeficiente de absorción tiende a ser grande, particularmente en el
espectro de luz visible. Dado que en los metales no hay brecha de energía, cualquier fotón
tienen la potencia suficiente como para excitar un electrón para ocupar un nivel superior de
energía, absorbiendo la del fotón excitado.
Este capítulo es muy corto comparado con los anteriores. Por favor, repasa lo que hemos
acerca de los metales, antes de estudiar la próxima entrega, que trata acerca de los
materiales cerámicos.



11. Clasificación de los materiales. (Cerámicos)
[ http://www.mailxmail.com/...ntroduccion-ciencia-materiales/clasificacion-materiales-ceramicos]
Ahora que hemos dado un vistazo superficial a lo referente a los metales, haremos
lo propio con los materiales cerámicos.
Son compuestos químicos o soluciones complejas, que comprenden fases que
contienen elementos metálicos y no metálicos. Sus enlaces iónicos o covalentes les
confieren una alta estabilidad y son resistentes a las alteraciones químicas. A
temperaturas elevadas pueden conducir iónicamente, pero muy poco en
comparación con los metales. Son generalmente aislantes. Tienen una amplia
gama de propiedades mecánicas, sin embargo, su comportamiento mecánico real
suele ser menos predecible que el de los metales, por eso su uso en aplicaciones
críticas es muy limitado. Los materiales cerámicos no son tan simples como los
metales, sin embargo pueden clasificarse y estudiarse en función de sus estructuras
cristalinas.
Se llama cristales a los acomodamientos atómicos repetitivos en las tres
dimensiones. Esta repetición de patrones tridimensionales se debe a la coordinación
atómica dentro del material, algunas veces este patrón controla la forma externa del
cristal. El acomodamiento atómico interno persiste, aunque la superficie externa se
altere. Los acomodamientos cristalinos pueden tomar uno de siete principales
patrones de acomodamiento cristalino. Estos están estrechamente relacionados con
la forma en la que se puede dividir el espacio en iguales volúmenes por superficies
planas de intersección.

Sistema Ejes Ángulos Axiales
Cúbico a1=a2=a3 Todos los ángulos = 90°
Tetragonal a1=a2¹c Todos los ángulos = 90°
Ortorrómbico a¹b¹c Todos los ángulos = 90°
Monociclíco a¹b¹c 2 ángulos = 90°, 1 ángulo ¹ 90°
Triciclíco a¹b¹c Todos los ángulos diferentes, ninguno = 90°
Hexagonal a1=a2=a3¹c Ángulos = 90° y 120°
Romboedral a1=a2=a3 Todos los ángulos iguales, pero ninguno de 90°

Cristales Cúbicos. Los átomos pueden acomodarse en un patrón cúbico con tres
diferentes tipos de repetición: cúbico simple (cs), cúbico de cuerpos centrados (ccc),
y cúbico de caras centradas (ccac).
- Cúbico simple. Es hipotética para metales puros, pero representa un buen punto
de partida. Además de las tres dimensiones axiales a iguales y los ejes en ángulos
rectos, hay posiciones equivalentes en cada celdilla. Cada celdilla tiene contornos
idénticos al centro a los de todas las celdillas unitarias en el cristal. Del mismo
modo, cualquier posición específica es idéntica en todas las celdillas unitarias.
- Cúbico de cuerpos centrados. Cada celdilla unitaria tiene un átomo en cada vértice
del cubo y otro átomo en el centro del cuerpo del cubo.
- Cúbica de caras centradas. Este tipo de estructura se caracteriza por que en la
esquina de cada celdilla unitaria y en centro de cada cara hay un átomo, pero no hay


ninguno en el centro del cubo.
- Cristales Hexagonales. Existen dos representaciones de las celdillas unitarias
hexagonales simples. Este tipo de celdillas no tienen posiciones internas que sean
equivalentes a las posiciones esquina. Además, existen estructuras hexagonales.
Compactas que se caracterizan por tener cada átomo en una capa situada
exactamente arriba o debajo de los intersticios entre tres átomos de las capas
adyacentes. Así, cada átomo toca tres átomos de capa bajo un plano, seis átomos en
su propio plano y tres en la capa superior.
Otros patrones cristalinos: No nos extenderemos más en cuanto a otros sistemas de
cristales y retículas espaciales de otras estructuras cristalinas, por que los principios
son comparables a los citados previamente.
Comportamiento Óptico de los cerámicos.
En ciertos materiales cerámicos, la brecha de energía entre las bandas de valencia y
conducción es tal, que un electrón que pase a través de ella, producirá fotones
dentro del espectro visible del ojo humano. Esta luminiscencia se observa como dos
efectos distintos: fluorescencia y la fosforescencia. En la fluorescencia, todos los
electrones excitados vuelven a la banda de valencia y los fotones correspondientes
son emitidos una fracción de segundo después de haberse eliminado el estímulo.
Predomina una longitud de onda, que corresponde a la brecha de energíaEg. Los
materiales fosforescentes tienen impurezas que introducen un nivel donante dentro
de la brecha de energía. Los electrones estimulados bajan primero al nivel de
donante y quedan atrapados, por lo que deberán escapar para regresar a la capa de
valencia. Esto se traduce en un retardo antes de que los fotones sean emitidos,
porque después de haber eliminado en estímulo, los electrones capturados por el
nivel donante escapan de forma gradual. La intensidad de esta luminiscencia está
dada por:
ln I/I0 = t/t
donde t es el tiempo de relajación, que es una constante conocida del material.
Después de tiempo t posterior a la eliminación de la fuente, la intensidad de la
luminiscencia disminuirá de I0 a I . Los materiales fosforescentes son muy
importantes en la operación de las pantallas de televisión.
Debido a la naturaleza tan diversa de este tipo de materiales, es prácticamente
imposible generalizar su comportamiento. Por ejemplo, en cuanto a reflectividad, los
vidrios típicos están próximos a 0.05, lo que, entre otras razones, explica su
transparencia; mientras que las porcelanas comunes, sin ser tan reflejantes como
los metales están por arriba de este dato, y son consideradas opacas.
Los cerámicos aislantes tienen una brecha de energía muy grande entre las bandas
de energía y de conducción. Si la potencia de los fotones incidentes es menor a la
brecha de energía, ningún electrón ganará la suficiente como para escapar de la
banda de valencia y , por tanto, no ocurrirá absorción.
La transparencia en los vidrios puede verse afectada por dos factores: una pequeña
cantidad de porosidad (menos del 1% del volumen), puede crear una dispersión tal
de fotones que el vidrio se vuelve opaco; y los precipitados cristalinos,
particularmente aquellos con un índice de refracción muy distinto al material de al
matriz, que de igual forma causan dispersión. Así, precipitados o poros más
pequeños generan una mayor reducción en la transmisión de los fotones.


Así concluimos este capítulo referente a los cerámicos. En la próxima entrega
comenzaremos con el estudio de los materiales polímericos. ¡Hasta entonces!



12. Clasificación de los materiales. (Polímeros I)
[ http://www.mailxmail.com/...roduccion-ciencia-materiales/clasificacion-materiales-polimeros-1]
Continuando con el tema de las clasificaciones, les presento la primera parte de
la información correpondiente a los materiales poliméricos.
Plásticos
Una materia es plástica, cuando se deforma bajo la acción de una fuerza y conserva
la forma adquirida cuando cesa el esfuerzo. Industrialmente, cuando se habla de
plásticos, se trata principalmente de materias plásticas sintéticas.
Son materiales cuyo principal componente es un producto orgánico de peso
molecular elevado (derivados del petróleo, carbón, gas natural, etc.), que en alguna
etapa de su fabricación han adquirido la suficiente plasticidad para darles forma y
obtener productos industriales tales como tubos, planchas, barras, etc., o piezas
terminadas.
Productos Industriales > Extrusión
Piezas > Extrusión, Moldeo por compresión, Moldeo por inyección, Termoformado,
Caldrado, Hilado, Colado, Moldeo por transferencia, Espumas, Mecanizado.
Extrusión : El material caliente y fluido se hace pasar a través de orificios (troquel
extruidor) que le dan la forma deseada.
Moldeo por compresión: La materia prima plástica, en forma de polvo seco, se
introduce en el molde, se la somete a presión y temperatura elevada, hasta que el
material plástico que rellena el molde se solidifica. Este proceso es principalmente
utilizado en plásticos termoestables.
Moldeo por inyección: La materia prima se calienta en un cilindro de presión que
inyecta la resina fundida, a través de una boquilla, en al cavidad de un molde
provisto de un sistema de refrigeración que solidifica rápidamente en plástico
inyectado; un sistema automático expulsa la pieza fuera del molde. Este
procedimiento es de utilidad en el moldeo de materias termoplásticas.
Termoformado: Las hojas de polímero termoplástico que son calentadas hasta llegar
a la región plástica se pueden conformar sobre un dado para producir diversos
productos, tales como cartones para huevo y paneles decorativos. El conformado se
puede efectuar utilizando dados, vacío y aire a presión.
Calandrado: Consiste en verter plástico fundido en un juego de rodillos con una
pequeña separación. Los rodillos, que pudieran estar grabados con algún dibujo,
presionan al material y forman una hoja delgada del polímero, a menudo cloruro de
polivinilo. Productos típicos de este método incluyen losetas de vinilo para piso y
cortinas para regadera.
Hilado: Se pueden producir filamentos, fibras e hilos mediante el hilado. El polímero
termoplástico fundido se empuja a través de un dado, que contiene muchas
perforaciones pequeñas. El dado, conocido como hilador puede girar y producir un
hilado. En algunos materiales, como el nylon, la fibra puede ser posteriormente
estirada para alinear las cadenas a fin de que queden paralelas al eje de la fibra; este
proceso incrementa su resistencia.



Colado: La mayoría de los polímeros se pueden colar en moldes, dejando que se
solidifiquen. Los moldes pueden ser placas de vidrio, para producir hojas de plástico
gruesas, o bandas de acero inoxidables para colado continuo de hojas más
delgadas. Un proceso especial de colado es el moldeo centrífugo, en el cual el
polímero fundido se vacía en un molde que gira sobre dos ejes. La acción centrífuga
empuja al polímero contra las paredes del molde, produciendo una forma delgada.
Moldeo por transferencia: Requiere de una cámara doble . El polímero en una de las
cámaras es calentado a presión. Una vez fundido se inyecta e n la cavidad del dado
adyacente. Este proceso permite que algunas de las ventajas del moldeo por
inyección se usen con polímeros termoestables.
Espumas: El producto final es un polímero que contiene espacios huecos. Para
lograr esto el polímero se produce en pequeñas bolitas que contienen un agente
espumante, que al ser calentado se descompondrá, generando algún gas. Durante
este proceso de preexpansión, las bolitas aumentan de tamaño 50 veces y se hacen
huecas. }A continuación, las bolitas preexpandidas se inyectan dentro de un dado,
para fundirlas y unirlas a fin de formar productos excepcionalmente ligeros.
Mecanizado: Muchos plásticos son de fácil mecanización una vez transformados en
productos industriales, de ahí que se pueda tornear, limar, taladrar, etc.,pudiendo
obtener la pieza totalmente mecanizada. Este procedimiento sólo se utiliza si se
trata de obtener muy pocas piezas que no compense el construir el molde.
Debido a su versatilidad, los polímeros son muy diversos en cuanto a características
y usos. En el siguiente capítulo los estudiaremos más detallamente.



13. Clasificación de los Materiales. (Polímeros II)
Los plásticos sintéticos de uso más frecuente son:
Termoestables: Resinas fenólicas, resinas úricas, resinas melamínicas, resinas epoxi,
de poliéster, poliuretanos.
Termoplásticos: Polivinílicos, poliestirénicos, poliamidas, policarbonatos,
polietilénicos, polimetacrilatos, politetrafluoretilenos, elastómeros.
Plásticos termoestables: Endurecen bajo la acción del calor presión, y su
endurecimiento es irreversible por haber sufrido una modificación en su estructura
química, a nivel molecular, ya no se pueden remoldear o ablandar bajo la acción del
calor y presión. Los plásticos termoestables son comparables a la arcilla, que una
vez endurecida con el calor (cocida), su forma es definitiva.
- Resinas Fenólicas
Se obtienen de la combinación del fenol o ácido fénico con formaldehído. Tienen
olor característico ácido fénico perceptible incluso en las piezas obtenidas de ellas,
particularmente si se las calienta. Estas resinas suelen utilizarse mezcladas con
cargas de relleno, que mejoran algunas de sus características físicas, de acuerdo
con la naturaleza de las cargas, oscilando entre lo siguientes valores:

- Peso específico............................................. oscila entre 1.3 a 1.9 Kg./dm3
- Resistencia Tracción.................................. 2.5 a 8.4 Kg. / mm2
- Compresión................................................. 7 a 25 Kg. / mm2
- Color............................................................. oscuro, marrón, negro
- Combustibilidad........................................... arde con gran dificultad
- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco
- Envejecimiento............................................. oscurece ligeramente
- Temperatura que soporta.............................. 116 ° C a 175 ° C
- Nombres comerciales................................... Baquelita, Durita, Resiform...

Empleo: Material eléctrico (mangos de interruptores, clavijas, carcasas, cajas
diversas, etc.)
- Resina Urica
Tiene como materia básica la úrea sintética y el formaldehído. No da ningún olor,
sus características físicas son:

- Peso específico....................................... 1.5 Kg. / dm3
- Resistencia Tracción............................ 3.45 a 9 Kg. / mm2
- Compresión........................................... 17.5 a 26.5 Kg. / mm2
- Color....................................................... blanco y colores claros
- Combustibilidad..................................... arde con dificultad


- Permeabilidad a la luz........................... opalescente
- Envejecimiento....................................... no tiene
- Temperatura que soporta........................ 130 ° C a 138 ° C
- Nombres comerciales............................. Pollopas, Cellodal, Resimine, Resopla.

Empleo: Material eléctrico (interruptores, clavijas, etc., placas aislantes, artículos de
cocina, etc. )
- Resina de melamina
Compuesta principalmente de melamina (obtenida del carburo de calcio y nitrógeno)
y el formaldehído. No tiene olor. Sus características físicas son:

- Peso específico............................................. 1.5 Kg. / dm3
- Resistencia Tracción.................................. 3.5 a 9 Kg./ mm2
- Compresión.................................................. 17.5 a 31 Kg. / mm2
- Color............................................................. claros
- Combustibilidad........................................... arde con dificultad
- Permeabilidad a la luz.................................. opalescente
- Envejecimiento............................................. oscurece ligeramente
- Nombres comerciales................................... Novoplay, Ultraplas.

Empleo: Similar a las resinas úricas.
- Resinas de poliéster
Se derivan del alquitrán de hulla y del estirol, son incoloros, aunque se pueden
colorear a voluntad; se utiliza con cargas de fibra de vidrio, proporcionándole una
considerable resistencia. A continuación, sus principales características físicas:

- Resistencia Tracción.................................. 4 a 9 Kg. / mm2
- Compresión.................................................. 9 a 25 Kg. / mm2
-
cualquier color
Color.............................................................
arde difícilmente,
- Combustibilidad...........................................
autoextinguiéndose
- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco.
- Temperatura que soporta.............................. 121 ° C
- Nombres comerciales................................... Filón, Lamilux.

Empleo: Cascos para embarcaciones, carrocerías de automóviles, placas
transparentes para cubiertas, además se utilizan como pinturas muy duras.
- Poliuretanos
Son materiales sintéticos que proporcionan productos de gran elasticidad: goma


espuma, correas, etc..sEstá formado por un poliéster y un derivado del benzol. Se
emplea también como pegamento de metales y como barniz de gran dureza.
En la siguiente entrega, expondré lo relativo a los termoplásticos.



14. Clasificación de los Materiales (Polímeros III)
Continuando con el extenso tema de los materiales poliméricos, ahora conoceremos
a los miembros de la familia de los termoplásticos.
Plásticos termoplásticos: El calor les da plasticidad y fluidez, así se pueden inyectar
a presión en un molde determinado, adoptando la forma del hueco del molde, se
pueden laminar, etc., pero endurecen tan pronto como se enfríen. Los
termoplásticos se pueden remoldear, por consiguiente pueden aprovecharse las
piezas defectuosas, los recortes, etc.
Haciendo una analogía, se podrían comparar con la cera, que se endurece con el frío
y cuyo endurecimiento no es definitivo, pues con el calor se reblandece y puede ser
nuevamente moldeada.
- Cloruro de polivinilo
Cuyos elementos ase con el acetileno y el pacido clorhídrico, no tiene olor y es
insípido, siendo sus características:

- Peso específico............................................. 1.35 a 1.55 Kg. / dm3
- Resistencia Tracción.................................. 2 a 6 Kg. / mm2
- Compresión.................................................. 7 a 9 Kg. / mm2
-
todos los colores
Color.............................................................
arde con gran dificultad,
- Combustibilidad...........................................
autoextinguible
- Permeabilidad a la luz.................................. transparente a opaco
- Envejecimiento Oscurece
- Temperatura que
60 ° C a 91 ° C
soporta..............................
-Nombres comerciales................................... Vinilite, Vinidur, Nipolan...

Empleo: Se utiliza como material duro para carcasas de bombas, válvulas
anticorrosivas, tuberías diversas, piezas diversas, resistentes a los productos
químicos. En estado blando encuentra otra serie de aplicaciones: mangueras, cuero
artificial, impermeables, etc.
- Poliestireno
Se obtiene del poliestirol, derivado del petróleo y del benzol, siendo
sus características:

- Resistencia Tracción.................................. 2.8 a 7 Kg. / mm2
Compresión............................ 7 a 11 Kg. / mm2


- Color............................................................. cualquier color
- Combustibilidad........................................... arde lentamente
- Permeabilidad a la luz................................. transparente a opaco
- Envejecimiento Oscurece
- Temperatura que soporta.............................. 85° C
- Nombres comerciales................................... Lustron, Polistirol, Diplene...

Empleo: Para fabricar planchas, películas y espumas, en piecería se utiliza para
objetos de oficina, bolígrafos, plantillas, escuadras y cartabones.
- Poliamidas
Derivan del carbón, no tiene olor ni sabor alguno y posee características mecánicas
muy notables, entre las que destaca su resistencia al desgaste y su facilidad de
mecanizado. Sus características físicas son:

Compresión............................ 4.9 a 9.2 Kg. / mm2
- Color............................................................. blanco, lechoso o coloreado
- Combustibilidad........................................... autoextinguible
- Permeabilidad a la luz.................................. translúcido a opaco
- Envejecimiento decolora ligeramente
- Temperatura que soporta.............................. 100 ° C 200 ° C
-Nombres comerciales................................... Nylón y Perlón...

Empleo: Construcción de carcasas, cuerpos de bomba, ventiladores, racords de
unión, tapas de instrumentos eléctricos.
- Polietilenos
Derivados directos del petróleo. Su aspecto y tacto son cerosos, tiene buena
resistencia a los ácidos y es buen aislante eléctrico. Las características principales de
los polietilenos duros son:

- Resistencia Tracción.................................. 2 a 4.5 Kg. / mm2
Compresión............................ no aplicable
-
cualquier color
Color.............................................................
- Combustibilidad........................................... muy lenta
- Permeabilidad a la luz.................................. translúcido a opaco
vuelve quebradizo, excepto negro y
- Envejecimiento
marrón
- Temperatura que
70 ° C
soporta..............................


-Nombres comerciales................................... Polytheno, Dylan, Hostalen.

Empleo: Grifería, válvulas y accesorios para conducciones de ácidos, cubos, bidones,
ruedas dentadas, mangos de herramientas, etc.
- Polimetacrilatos
Se obtienen partiendo del acetileno, se caracteriza por su extraordinaria
transparencia , sus características físicas más importantes son:

Compresión............................ 7.7 a 12 Kg. / mm2
- Color............................................................. ilimitado
- Combustibilidad........................................... arde rápidamente
- Permeabilidad a la luz.................................. transparente
- Envejecimiento amarillea muy ligeramente
- Temperatura que soporta.............................. 80 ° C
-Nombres comerciales................................... Plexiglás, Perspex, Lucita...

Empleo: Placas transparentes para acristalado de carrocerías, cristales de faros, de
relojes, ojos de buey.
- Poli-tetrafluoretileno
Es un derivado sintético del acetileno, su principal particularidad es su resistencia a
la temperatura y a los ácidos, aspecto en que sólo es comparable con el vidrio,
algunas de sus características físicas son:

- Resistencia Tracción.................................. 1 a 3.5 Kg. / mm2
Compresión............................ 1.2 Kg. / mm2
- Color............................................................. oscuros
- Permeabilidad a la luz.................................. oscuros
- Envejecimiento ninguno
-Nombres comerciales................................... Teflón, Fluón, Hostaflón, Algoflón...

Empleo: Casquillos sin lubricación, cajas y juntas para bombas, válvulas y grifería,
aislamiento de cables eléctricos, etc.
En nuestro siguiente capítulo daremos por terminado el tema de los polímeros,
estudiando lo referente a los elastómeros.



15. Clasificación de los Materiales. (Polímeros IV)
Ahora, la breve información sobre la última familia de polímeros: los elastómeros.
Elastómeros: Tienen una estructura intermedia, en la cual se permite que ocurra una
ligera transformación de enlaces cruzados entre las cadenas moleculares. Los
elastómeros son capaces de deformarse elásticamente en grandes magnitudes sin
cambiar de forma permanentemente.
Los elastómeros típicos son polímeros amorfos, no cristalizan fácilmente. Tienen
una baja temperatura de transición vítrea y las cadenas se pueden deformar
elásticamente con facilidad al aplicar una fuerza.
Elastómeros termoplásticos, no se basan en los enlaces cruzados para producir
gran cantidad de deformación elástica. Se comportan como termoplásticos a
temperaturas elevadas y como elastómeros a temperaturas bajas. Este
comportamiento permite que se puedan reciclar con mayor facilidad que los
elastómeros convencionales.
Adhesivos: Son polímeros que se utilizan para unir otros polímeros, metales,
materiales cerámicos, compuestos o combinaciones de todos los anteriores. Los
adhesivos se utilizan para una diversidad de aplicaciones.
Se pueden clasificar en :
*Químicamente reactivos: Hay sistemas de un solo componente, formados por una
sola resina polimérica, que se cura por exposición a algún factor: humedad, calor o
ausencia de oxígeno. Los sistemas de dos componentes se curan al combinarse dos
resinas.
*Por evaporación o por difusión: El adhesivo se disuelve y se aplica a las superficies
a unir. Al evaporarse el portador, el polímero restante proporciona la unión. Los
adhesivos a base de agua son preferidos tanto por la seguridad que representan
como desde un punto de vista ecológico. El polímero puede estar totalmente
disuelto en agua, o puede estar formado de látex, es decir, como una dispersión
estable del polímero en el agua.
*De fusión por calor: Son polímeros termoplásticos y elastómeros termoplásticos
que funden al calentarse. Al enfriarse, el polímero se solidifica, uniendo las partes.
Sus temperaturas de fusión típicas son de aproximadamente 80 a 110 ° C, lo que
limita su uso a temperaturas elevadas.
*Sensibles a la presión: Son principalmente elastómeros o copolímeros de
elastómero que se producen en forma de película o recubrimiento. Requieren
presión para adherirse al sustrato y se utilizan para producir cintas aislantes
eléctricas y de empaque, etiquetas, losetas de piso, recubrimientos para muros y
películas texturizadas imitación madera.
*Conductores: Son polímeros a los que se agrega un material de relleno que
proporcione conductividad eléctrica y térmica, como partículas de plata, cobre o
aluminio. Cuando se desea conductividad eléctrica pero no térmica o viceversa, se
puede usar polvo de alúmina, berilia, nitruro de boro o sílice. Además, es posible


crear polímeros que tengan buena conductividad: agregando compuestos iónicos
que reducen la resistividad; disipando la carga estática al usar un relleno de
material conductor; o con matrices poliméricas que contengan fibras de carbono o
carbono recubierto de níquel, lo que combina rigidez con conductividad mejorada.
Algunos polímeros tienen buena conductividad inherente, como resultado de
diversas técnicas de dopado (que consiste en agregar de manera intencional un
pequeño número de átomos de impureza en el material) o de proceso.
Con este capítulo corto, finalizamos el estudio de las generalidades de los
polímeros. En nuestra próxima entrega comenzaremos a analizar lo correspondiente
a los materiales semiconductores.



16. Clasificación de los Materiales. (Semiconductores)
[ http://www.mailxmail.com/...ccion-ciencia-materiales/clasificacion-materiales-semiconductores]
El silicio y el germanio son los únicos elementos que tienen aplicaciones prácticas
como semiconductores. Sin embargo, gran variedad de compuestos cerámicos e
intermetálicos presentan este mismo efecto.
Para facilitar su estudio, los derivados del silicio y el germanio se dividen en
semiconductores intrínsecos y extrínsecos.
Los semiconductores intrínsecos se caracterizan por que su brecha de energía Eg
entre las bandas de valencia y conducción es pequeña, y en consecuencia, algunos
electrones poseen suficiente energía térmica como para saltar la brecha, entrando
en la banda de conducción. Los electrones excitados dejan atrás niveles de energía
desocupados, o huecos, en la banda de valencia. Cuando un electrón se mueve para
llenar un hueco, se crea otro en la fuente original de este segundo electrón, de
forma que los espacios vacío parecen actuar como "electrones" de carga positiva y
portadores de carga eléctrica.. Cuando se aplica un voltaje eléctrico al material, los
electrones de la banda de conducción se aceleran hacia la terminal positiva., en
tanto que los huecos de la banda de valencia se mueven hacia a terminal negativa.,
Por lo tanto se conduce la corriente mediante el movimiento de electrones y de
huecos.
La conductividad queda determinada por el número de pares electrón hueco.
s = neqm e + n h qm h
donde ne es el número de electrones en la banda de conducción, n h es el número
de huecos en la banda de valencia y m e y m h son las movilidades de electrones y
de huecos. En el caso de los conductores intrínsecos:
n = ne = nh
Por tanto, la conductividad es:
s = neq(m e + m h )
Al controlar la temperatura, se controla el número de portadores de carga por lo
mismo, la conductividad eléctrica. En el cero absoluto, todos los electrones están en
la banda de valencia, así que todos los niveles de la banda de conducción se hallan
desocupados.
Conforme aumenta la temperatura, hay mayores probabilidades de que se ocupe un
nivel de energía en la banda de conducción, de forma que existen idénticas
probabilidades de que se desocupe un nivel en la banda de valencia. El número de
electrones en la banda de conducción, que es igual al número de huecos en la
banda de valencia, está dado por:
n = ne = nh = n o exp -
(Eg / 2kT)
donde n o se puede considerar como constante, aunque de hecho también depende
de la temperatura. Temperaturas más elevadas permiten que más electrones crucen
la zona prohibida y, por tanto se incrementa la conductividad:



s = neq(m e + m h ) exp - (Eg / 2kT)
El comportamiento del semiconductor es opuesto al de los metales, ya que
conforme aumenta la temperatura se incrementa la conductividad, por que están
presentes más portadores de carga., en tanto que en el metal la conductividad se
reduce, debido a la menor movilidad de sus portadores de carga.
Si se retira la fuente de energía o voltaje de excitación, se vuelven a combinar los
huecos y los electrones después de cierto periodo de tiempo. El número de
electrones en la banda de conducción se reduce con una rapidez dada por:
n = n o exp - (t / t )
donde t es el tiempo después de haber eliminado el campo, n o es una constante y t
es una constante conocida como tiempo de recombinación.
En vista de que pequeñas variaciones de temperatura pueden afectar el
comportamiento de un semiconductor intrínseco, se puede agregar una pequeña
cantidad de impurezas (dopado), para producir un semiconductor extrínseco. La
conductividad de este semiconductor dependerá principalmente del número de
átomos de impureza (dopantes), y en un rango especifico de temperatura incluso
ser independiente de esta.
- Semiconductores tipo n. Supongamos que agregamos un átomo de antimonio
como impureza al silicio o al germanio. Cuatro de los electrones de valencia del
átomo de antimonio participan en el proceso de enlaces covalentes, en tanto que un
electrón adicional entra en un nivel de energía en estado de donación., justo por
debajo de la banda de conducción. Dado que este electrón no esta fuertemente
unido a los átomos, solamente requiere un pequeño aumento de energía Ed para que
el electrón pase a la banda de conducción. (Ed a menudo se define como la
diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la banda de
donadores. En este caso, el incremento de energía requerido seríaEg - Ed × ). La
brecha de energía que controla la conductividad pasa a ser Ed en vez de Eg .
Cuando los electrones de donación entran en la banda de conducción, no se crean
huecos correspondientes a cada uno de ellos.
Una pequeña cantidad de semiconducción intrínseca sigue ocurriendo, con algunos
electrones que adquirieron la energía suficiente como para saltar el espacio Eg. El
número total de portadores de carga es :
ntotal = ne(dopante) + ne(intrínseca) + nh(intrínseca)
Conforme aumenta la temperatura, más electrones de donación saltan el espacio Ed
hasta que, finalmente todos los electrones de donación están en la banda de
conducción. Esto significa un agotamiento de donadores. La conductividad es casi
constante; no hay disponibles más electrones de donación y la temperatura sigue
siendo demasiado baja para producir muchos electrones y huecos intrínsecos, sobre
todo si Eg es grande.
- Semiconductores tipo p Cuando a un semiconductor se le agrega una impureza
como el galio, que tiene una valencia de tres, no existen suficientes electrones para
completar el enlace covalente. Entonces se crea un hueco en la banda de valencia,
que puede llenarse con electrones de otras posiciones de la banda. Los hueco
actúan como aceptantes de electrones. Este sitio con huecos tiene una energía algo
mayor que la normal y crea un nivel aceptante de energía de electrones, justo por


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