Unidad 6. Los materiales estructurales

1. 6.1 METALES

2. Todos los materiales, sólidos, líquidos o gaseosos, tienen alguna
naturaleza estructural, el aire que respiramos tiene una naturaleza
estructural: resiste a la compresión, el agua soporta los más
grandes vehículos hechos por los hombres; enormes barcos
transoceánicos. El aceite soporta cargas tan elevadas que se usa en
presas hidráulicas entre muchos ejemplos más.
En el estudio o diseño de estructuras, interesan las propiedades
particulares de los materiales. Estas propiedades críticas se pueden
dividir en propiedades estructurales esenciales y propiedades
generales.

3. Una aleación es una combinación de propiedades
metálicas, que está compuesta de dos o más elementos
metálicos sólidos.
Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos
como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo),
ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se
pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico,
como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As
(arsénico).

4. Mayormente las aleaciones son consideradas mezclas, al no
producirse enlaces estables entre los átomos de los elementos
involucrados. Excepcionalmente, algunas aleaciones
generan compuestos químicos.
Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son:
 Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono
variable entre el 0,008 y el 1,7 % en peso de su composición,
sobrepasando el 1.7 % (hasta 6.67 %) pasa a ser una fundición.
 Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una
aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo
contenido en masa.

5. Son aleaciones que no contienen fierro, o contienen
cantidades relativamente pequeñas de hierro, algunos
ejemplos, aluminio, cobre, zinc, estaño y níquel.
Sus propiedades son de alta resistencia a la corrosión,
elevada conductividad eléctrica y térmica, baja densidad
y facilidad de producción.

6. Se denominan aleaciones ligeras a aquellas aleaciones
que tienen como elemento base o principal el aluminio.
Respecto a los metales de adición, los más empleados son
el cobre, silicio, cinc, níquel, hierro, titanio, cromo y
cobalto. Estos materiales pueden figurar en las aleaciones
juntos o aislados. En general, la proporción total en que
forman parte de las aleaciones ligeras, no pasa del 15%.
La característica principal de las aleaciones ligeras, es su
bajo peso específico, que en algunas de ellas llega a ser
hasta de 1/3 del peso específico del acero.

7. La característica común de estos materiales es que están
compuestos por minerales que cambian su organización
molecular al ser sometidos a elevadas temperaturas.
Esto explica los cambios en las propiedades del material
durante el proceso de elaboración. La diferencia entre
ellos es que las cerámicas se moldean en frío, y los
vidrios, en caliente.

8. En general los componentes de los materiales cerámicos,
fase(s) cristalina(s) y/o vítrea(s), están formados por
elementos metálicos y no metálicos. Los enlaces en las
diferentes fases pueden tener desde naturaleza iónica a
covalente.
Un gran número de materiales cerámicos poseen
estructuras típicas como la estructura del NaCl, de blenda
(ZnS) y de fluorita (CaF2).

9. Sin embargo la mayoría de los cerámicos tienen estructuras
cristalinas más complicadas y variadas. Entre estas estructuras
podríamos destacar las más importantes como son:
 Estructura perovskita (CaTiO3). Ejemplo: BaTiO3, en la cual los
iones de bario y oxigeno forman una celda unidad cúbica
centrada en las caras con los iones bario en los vértices de la
celda unidad, y los iones oxido en el centro de las caras, el ión
titanio se situará en el centro de la celda unidad coordinado a
seis iones oxigeno.

10.  Estructura del corindón (Al2O3). Es similar a una estructura
hexagonal compacta; sin embargo, a cada celda unidad están
asociados 12 iones de metal y 18 de oxigeno.
 Estructura de espinela (MgAl2O4). Donde los iones oxigeno
forman un retículo cúbico centrado en las caras y los iones
metálicos ocupan las posiciones tetraédricas u octaédricas
dependiendo del tipo de espinela en particular.
 Estructura de grafito. Tiene una estructura hexagonal
compacta.

11. Los materiales más importantes no cristalinos son los
vidrios. Los vidrios tienen propiedades especiales que no
se encuentran en otros materiales.
La combinación de transparencia y dureza a temperatura
ambiente y una excelente resistencia a la corrosión en la
mayoría de los ambientes hacen al vidrio indispensable
para muchas aplicaciones de ingeniería como
construcción y vidriado de vehículos.

12. En la industria eléctrica el vidrio es esencial para varios tipos de
lámparas debido a sus propiedades aislantes y capacidad de
suministrar un cierre hermético.
En la industria electrónica los tubos de rayos catódicos también
requieren el cierre hermético proporcionado por el vidrio, con
sus propiedades aislantes para entrada de conectores.
La alta resistencia química del vidrio lo hace muy útil para los
equipos de laboratorio y forros resistentes a la corrosión,
conducciones y recipientes de reacción en la industria química.

13. Los productos o materiales vitrocerámicos se componen,
como cualquier material de tipo cerámico, de una o varias
fases cristalinas embebidas en una matriz amorfa o vitrea,
pero cuyo proceso de fabricación implica la
desvitrificación o nucleación y cristalización controlada de
un vidrio original o de partida.

14. En el proceso de obtención de estos materiales se puede
conservar la forma original conferida al vidrio de partida
por los métodos convencionales de moldeado de vidrios
(procesado vitrocerámico propiamente dicho), o se puede
conservar la forma de la mezcla de materias primas
fundidas, cristalizando el fundido por enfriamiento lento
(procesado de tipopetrúrgico) o bien, sinterizar y al
mismo tiempo cristalizar, el vidrio departida en forma de
frita o granillo (procesado de vitrocerámicos por
sinterización).

15. La palabra polímero procede del griego y significa
literalmente «muchas partes». En Ciencia y Tecnología se
considera material polimérico a aquél que contiene
muchas unidades enlazadas entre sí químicamente.
En la Naturaleza hay numerosas sustancias poliméricas
que intervienen en procesos vitales. Los organismos vivos
son capaces de sintetizarlas a partir de pequeñas
moléculas que quedan unidas por la actividad celular en
macromoléculas poliméricas.

16. La parte básica de un polímero son los monómeros, los
monómeros son las unidades químicas que se repiten a lo
largo de toda la cadena de un polímero, por ejemplo el
monómero del polietileno es el etileno, el cual se repite x
veces a lo largo de toda la cadena.

17. Los polímeros se definen como macromoléculas compuestas por
una o varias unidades químicas (monómeros) que se repiten a lo
largo de toda una cadena.
Un polímero es como si uniésemos con un hilo muchas monedas
perforadas por el centro, al final obtenemos una cadena de
monedas, en donde las monedas serían los monómeros y la
cadena con las monedas sería el polímero.

18. Los polímeros se clasifican en:
 Flecha Homopolímero - Se le denomina así al polímero
que está formado por el mismo monómero a lo largo de
toda su cadena, el polietileno, poliestireno o
polipropileno son ejemplos de polímeros
pertenecientes a esta familia.
 Flecha Copolímero - Se le denomina así al polímero que
está formado por al menos 2 monómeros diferentes a lo
largo de toda su cadena, el ABS o el SBR son ejemplos
pertenecientes a esta familia.

19. Carothens sugirió la primera clasificación de los polímeros en dos
grupos, POLÍMEROS DE CONDENSACIÓN y DE ADICIÓN.
POLÍMEROS DE CONDENSACIÓN son aquellos cuya fórmula
molecular de la unidad repetitiva (mero) de la cadena de
polímero carece de algunos átomos presentes en el monómero a
partir del cual se formó, lo que implica la pérdida de una
molécula pequeña (Hp, HCl, etc.,) en cada paso de la reacción,
mientras que en los POLÍMEROS POR ADICIÓN esta pérdida no
tiene lugar.

20. La variable que define fundamentalmente las propiedades físicas
y químicas de un polímero es su peso molecular. Sin embargo,
una característica de estos materiales es que el peso molecular
queda determinado por circunstancias aleatorias que dependen
de una gran cantidad de variables.
El resultado es la obtención de un producto final formado por
macromoléculas de distinta longitud.
Existe, por lo tanto, una distribución estadística de pesos
moleculares más o menos estrecha que depende de los métodos
de síntesis.

21. A los polímeros que presentan dicha distribución de pesos
moleculares se les denomina POLIDISPERSOS.
Solamente las macromoléculas biológicas como proteínas
y ácidos nucleicos sintetizadas de manera específica por
organismos vivos son MONODISPERSAS ya que presentan
un peso molecular definido.

22. Al hablar de cristalinidad de los materiales, en particular los
plásticos, tendríamos que enfatizar que nos referimos a un
ordenamiento de la estructura molecular, es decir que tenemos
cadenas de polímero paralela y compactamente acomodadas, y
por otra parte regiones amorfas donde las cadenas de los
polímeros se encuentra en un en un arreglo molecular aleatorio
es decir en un completo desorden.

23. No existen polímeros totalmente amorfos o cristalinos, sino que
se presentan como estructuras complejas constituidas de
regiones amorfas y cristalinas. Es decir, es imposible lograr un
100% de cristalinidad, ya que los polímeros no tienen un peso
molecular uniforme.
Dependiendo de las condiciones térmicas y de procesamiento a
que es sometido el PET, puede existir tanto como un material
amorfo o semicristalino por lo que se le puede encontrar en
presentación de pellet opaco, blanco o transparente,
dependiendo del contenido de su región amorfa o cristalina,
considerándosele como un material intermedio o “ Cristalizable”.

24. Cuando hablamos de un PET cristalino nos referimos a un
material opaco o bien al hablar de un PET amorfo se trata de un
pellet o material transparente y relativamente menos rígido o
bien más flexible.
El PET, tiene niveles de cristalinidad típicos de 0 a 60% en peso.
Las propiedades de los poliésteres cristalizables dependen
fuertemente tanto de los de los parámetros morfológicos del
material como son tamaño, forma y orientación de los cristales,
que son formados durante la etapa de cristalización en estado
fundido.

25. Una propiedad importante de los materiales poliméricos
termoplásticos es su comportamiento térmico, pues permite llevar
a cabo diferentes procesos de conformación de los mismos.
En general la temperatura influye en el comportamiento
viscoelástico en el sentido de influir sobre los enlaces por fuerzas
de Van der Waals entre las cadenas.
Cuando la temperatura aumenta los enlaces se desenrollan y tiene
lugar el flujo viscoso mas fácilmente con menor tensión aplicada.

26. A bajas temperaturas, el polímero se vuelve viscoso, las cadenas
no deslizan y el polímero presenta un comportamiento de sólido
rígido.
Estos comportamientos aparecen reflejados en la figura 15.14,
dependiendo de la temperatura y de la estructura, grupos
funcionales, de la cadena del polímero.
Sin embargo a muy altas temperaturas, los enlaces covalentes de
la cadena principal pueden destruirse, el polímero se quema o se
carboniza.

27. Esta temperatura, denominada temperatura de degradación,
limita la utilidad del polímero y representa la temperatura
superior a la cual el polímero puede ser conformado de manera
útil.
Cuando la temperatura de los polímeros lineales es alta, la
viscosidad es baja.
Las cadenas pueden moverse con facilidad incluso sin fuerzas
externas, y si se aplica una tensión, el polímero fluye
prácticamente sin que exista deformación elástica.

28. En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales
compuestos aquellos materiales que se forman por la
unión de dos o más materiales para conseguir la
combinación de propiedades que no es posible obtener
en los materiales originales.
Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr
combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso,
rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión,
dureza o conductividad.

29.  Materiales compuestos reforzados con partículas.
 Materiales compuestos endurecidos por dispersión.
 Materiales compuestos reforzados con fibras.
 Materiales compuestos estructurales.

30. Los materiales compuestos han sido ampliamente utilizados
en la historia con el fin de mejorar las propiedades de un
material.
De este modo durante siglos se ha utilizado barro mezclado
con paja para construir viviendas de adobe.
Los materiales compuestos reforzados con fibra se pueden
separar mecánicamente.

31. La principal característica de estos materiales reside en que
un componente conforma una matriz que envuelve el resto
de forma que los materiales trabajen como uno solo, pero
ambos seguirán mantenido sus formatos originales por
separado.

32. Principales funciones de las fibras:
 Aportar la resistencia a tracción requerida frente a un esfuerzo
de tracción.
 Aportar rigidez (elevado módulo elástico), resistencia a tracción,
entre otros parámetros.
 Conductividad o aislamiento eléctrico, dependiendo del tipo de
fibra.

33. La matriz aporta propiedades vitales al material compuesto
mejorando su rendimiento:
 Obliga a las fibras a trabajar de forma conjunta, y les
transfiere los esfuerzos de tracción.
 Aísla las fibras entre ellas, y así trabajan de forma
separada. Ello evita/ralentiza la propagación de fisuras en
el soporte.

34.  La matriz actúa como un revestimiento de protección de
las fibras, protegiéndolas frente ataques mecánicos
(golpes) y químicos (ambiente, sustancias
agresivas,…).Conductividad o aislamiento eléctrico,
dependiendo del tipo de fibra.

35. Un material es anisótropo cuando sus propiedades
dependen de la orientación según la cual se hace la
medición de ellas; es decir, que carecen de una
estructura molecular constante.
La anisotropía es una consecuencia de la estructura
interna del mineral. Si carece de organización interna se
toma como minerales amorfos.