INGENIERÍA DE MATERIALES- Ing. Segundo Espin- UTA

Segundo Espín L
i
PORTADA
INGENIERÍA DE MATERIALES I
Materiales de Ingeniería

Segundo Espín L
ii
AGRADECIMIENTO
Un agradecimiento especial a la Facultad de Ingeniería
Civil y Mecánica de la Universidad Técnica de Ambato,
por permitirme transmitir mis modestos conocimientos a
través de la Docencia.

Segundo Espín L
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INGENIERÍA DE MATERIALES I
Segundo Manuel Espín Lagos
Ingeniero Mecánico (ESPOCH)
Magister en Diseño Mecánico (UTA)

Segundo Espín L
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ÍNDICE
Portada............................................................................i
Agradecimiento .............................................................ii
Índice............................................................................iv
Prefacio........................................................................xii
CAPÍTULO I.................................................................1
1. MATERIALES DE INGENIERÍA........................1
1.1 Introducción ............................................................1
1.2 Clasificación de los materiales................................2
1.2.1 Metales .................................................................2
1.2.2 Cerámicos y vidrios..............................................3
1.2.3 Polímeros (Plásticos)...........................................3
1.2.4 Compuestos..........................................................4
1.2.5 Conductores..........................................................5
1.2.6 Semiconductores ..................................................5
1.2.7 Aislantes...............................................................5
1.2.8 Magnéticos ...........................................................5
1.2.9 No magnéticos......................................................5
1.3 El hierro...................................................................6
1.3.1 Estructuras cristalinas en el hierro puro ..............6
1.3.2 Curva de enfriamiento del hierro puro .................8

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1.4 Diagrama hierro - carbono .....................................8
1.4.1 Aceros al carbono (0 - 2.14% C)..........................9
1.4.2 Fundiciones (2.14 – 6.67 % C)...........................10
1.4.3 Puntos isotérmicos..............................................10
1.4.4 Reacciones isotérmicas ......................................11
1.4.5 Microestructuras Del diagrama Fe-C .................11
1.5 Clasificación de los aceros...................................14
1.6 Clasificación de las fundiciones............................18
1.6.1 Por el contenido de carbono:..............................18
1.6.2 De acuerdo a sus propiedades ............................18
1.6.3 De acuerdo al porcentaje de Silicio....................23
1.7 Aceros aleados.......................................................23
1.7.1 Influencia de los elementos de aleación.............24
1.7.2 Acero al níquel ...................................................31
1.7.3 Acero al cromo...................................................32
1.7.4 Aceros al cromo – níquel ...................................33
1.7.5 Aceros al níquel-cromo-molibdeno....................34
1.7.6 Aceros al manganeso..........................................35
1.7.7 Aceros al molibdeno...........................................35
1.7.8 Aceros al tungsteno ............................................36
1.7.9 Aceros inoxidables .............................................36
1.7.10 Aceros inoxidables ferríticos............................37
1.7.11 Acero inoxidable martensítico .........................37

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1.8 Metales no ferrosos ...............................................38
1.8.1 Cobre y aleaciones ............................................38
1.8.2 Aluminio y aleaciones........................................43
1.8.3 Magnesio y aleaciones .......................................46
1.8.4 Titanio y sus aleaciones......................................47
1.8.5 Metales refractarios............................................48
1.8.6 Superaleaciones..................................................48
1.8.7 Plomo .................................................................49
1.8.8 Estaño.................................................................50
1.8.9 Zinc.....................................................................50
1.8.10 Metales nobles o preciosos...............................50
1.9 Cerámicos y vidrios...............................................51
1.9.1 Los cerámicos tradicionales.-.............................52
1.9.2 Cerámicos industriales .......................................54
1.9.3 Vidrio .................................................................58
1.9.4 El diamante.........................................................64
1.10 Polímeros (plásticos)...........................................67
1.10.1 Historia de los polímeros..................................68
1.10.2 Materia prima de los polímeros........................72
1.10.3 Aditivos............................................................73
1.10.4 Clasificación de los polímeros .........................74
1.10.5 Aplicaciones de los polímeros..........................80
1.10.6 Ventajas y desventajas de los polímeros..........80

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1.11 Materiales compuestos........................................81
1.11.1 Estructura de los materiales compuestos..........84
1.11.2 Refuerzos..........................................................85
1.11.3 Interfase matriz-refuerzo..................................87
1.11.4 CMM propiedades y comportamiento..............88
1.12 Materiales conductores........................................90
1.13 Materiales semiconductores ................................90
CAPITULO II .............................................................91
2. ESTRUCTURA ATÓMICA Y ENLACES.........91
2.1 Introducción ..........................................................91
2.2 Estructura de los átomos .......................................91
2.3 Números atómicos y masas atómicas....................92
2.3.1 Números atómicos (Z)........................................92
2.3.2 Masas atómicas (A)............................................93
2.3.3 Número de neutrones (N)...................................93
2.3.4 Modelo atómico de Bohr....................................99
2.4 Estructura electrónica..........................................102
2.4.1 Configuración electrónica de los elementos.....103
2.4.2 Elementos electropositivos y electronegati......105
2.5 Tabla periódica....................................................107
2.6 Tipos de enlaces atómicos...................................109
2.6.1 Enlaces atómicos primarios..............................109
2.6.2 Enlace secundario o de Van Der Waals ...........118

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CAPÍTULO III ..........................................................125
3. ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS
CRISTALINOS..................................................125
3.1 Introducción ........................................................125
3.2 Redes espaciales y celda unitaria ........................126
3.3 Sistemas cristalinos y redes de Bravais...............127
3.4 Estructuras cristalinas de los metales..................129
3.4.1 Estructura cristalina cúbica centrada en el
cuerpo (BCC) .....................................................129
3.4.2 Estructura cristalina cúbica centrada en las
caras (FCC) ........................................................133
3.4.3 Estructura cristalina hexagonal compacta
(HCP) .................................................................136
3.5 Posiciones de los átomos en celdas unitarias
cúbicas................................................................140
3.6 Direcciones en las celdas unitarias cúbicas.........142
3.7 Índices de Miller para planos cristalográficos en
celdas unitarias cúbicas......................................146
3.8 Planos cristalográficos y direcciones en la
estructura cristalina hexagonal compacta
(HCP) .................................................................152
3.9 Cálculo de la densidad volumétrica ....................154
3.10 Cálculo de la densidad atómica planar..............156

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3.11. Cálculo de la densidad atómica lineal..............158
3.12 Materiales Amorfos...........................................160
CAPITULO IV..........................................................162
4. IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS..................162
4.1 Introducción ........................................................162
4.2 Solidificación de metales ....................................162
4.3 Soluciones sólidas metálicas ...............................163
4.3.1 Soluciones sólidas sustitucionales....................164
4.3.2 Solución sólida intersticial ...............................167
4.4 Imperfecciones cristalinas...................................168
4.4.1 Defectos puntuales ...........................................169
4.4.2 Defectos lineales (dislocaciones) .....................172
4.4.3 Defectos planares .............................................175
4.4.4 Defectos volumétricos......................................179
CAPITULO V ...........................................................181
5. DIFUSIÓN .........................................................181
5.1 Introducción ........................................................181
5.2 Mecanismos de difusión......................................181
5.2.1 Mecanismo de difusión sustitucional o por
vacantes..............................................................182
5.2.2 Mecanismo de difusión intersticial ..................182
5.2.3 Difusión en estado estacionario........................184
5.2.4 Difusión en estado no estacionario...................187

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x
5.2.5 Endurecimiento superficial del acero por
carburización con gas.........................................193
5.3 Efecto de la temperatura en la difusión en
sólidos ................................................................199
CAPÍTULO VI..........................................................205
6. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS
METALES .........................................................205
6.1 Introducción ........................................................205
6.2 Conceptos de esfuerzo y deformación ................206
6.2.1 Ensayo de tracción ...........................................208
Propiedades obtenidas del ensayo de tracción ..........211
6.2.2 Tensión y deformación reales ..........................222
6.2.3 Ensayo de compresión......................................225
6.2.4 Ensayos de cizalladura y de torsión .................226
6.3 Deformación elástica...........................................227
6.3.1 Comportamiento bajo cargas uniaxiales ..........227
6.4 anelasticidad........................................................230
6.5 Propiedades elásticas de los materiales...............231
6.6. Dureza ................................................................233
6.6.1 Ensayos de dureza Rockwell (HR)...................234
6.6.2 Ensayo de dureza Brinell (HB) ........................239
6.6.3 Ensayo de dureza Vickers y Kanoop................240

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xi
6.6.4 Correlación entre dureza y la resistencia a la
tracción...............................................................242
6.7 Fractura................................................................243
6.7.1 Fundamentos de fractura ..................................245
6.7.2 Tenacidad a la fractura .....................................249
6.7.3 Ensayos de fractura por impacto ......................258
6.7.4 Técnicas de ensayo de Impacto........................259
6.8 Fatiga...................................................................261
CAPÍTULO VII.........................................................263
7. DIAGRAMAS DE FASE O DE EQUILIBRIO 263
7.1 Introducción ........................................................263
7.2 Diagramas de fase de sustancias puras................265
7.3 Regla de las fases de Gibbs.................................267
7.4 Sistemas de aleaciones binarias isotérmicas .......270
7.5 Regla de la Palanca .............................................273
7.6 Sistema de aleaciones binarias eutécticas. ..........275
7.7 Sistemas de aleaciones binarias peritécticas .......281
7.8 Sistemas binarios monotécticos ..........................288
7.9 Reacciones Invariantes........................................289
7.10 Diagramas de fases con fases y compuestos
intermedios.........................................................291
7.11 Diagramas de fase Ternarios.............................296
Bibliografía................................................................300

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xii
PREFACIO
Este libro servirá como medio de consulta, a estudiantes
de Ingeniería Mecánica y Carreras afines, en la cátedra
de Ingeniería de Materiales I. Se hace un aporte personal
en los materiales de Ingeniería y se complementa con la
recopilación de información de varias obras relacionadas
a la Ciencia e Ingeniería de Materiales. En este libro
consta la teoría necesaria y la resolución de problemas
propuestos y resueltos de los autores tales como: Callister
William. Jr y Rethwisch David. (2014). Materials
Science and Engineering An Introduction. 9 Edition;
Callister William. Jr y Rethwisch David. (2010).
Materials Science and Engineering An Introduction. 8
Edition; Callister William. Jr. (2007). Materials Science
and Engineering An Introduction. 7 Edition; Smith
William. (2006). Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería
de Materiales. 4 edición. Editorial Mc. Graw Hill;
Askeland Donald. (1998). Ciencia e Ingeniería de los
Materiales. Tercera Edición. Editorial International
Thomson; ASM Metals Handbook. (2004). Vol 1, Vol 2,
Vol 3, Vol 9.

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1
CAPÍTULO I
1. MATERIALES DE INGENIERÍA
1.1 INTRODUCCIÓN
Todas las personas diariamente estamos relacionadas con
los materiales, como: en el transporte, vivienda,
vestimenta, comunicación, recreación, comunicación,
alimentación, agricultura, etc.
En la actualidad se ha descubierto materiales con
excelentes propiedades, como la cerámica, polímeros,
materiales compuestos y metales, y pudiendo ser
modificadas por tratamientos térmicos o por adición de
otras sustancias llamadas aleantes, según las necesidades
de los ingenieros.
La Ingeniería de Materiales tiene relación en las
propiedades – estructura.

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2
Muchos científicos, técnicos o ingenieros, sean
mecánicos, civiles, químicos o eléctricos, en alguna
ocasión se encontrarán con un problema de diseño en el
cual intervengan materiales.
El engranaje de una transmisión, la superestructura de un
edificio, el comportamiento de una refinería de petróleo o
el “chip” de un circuito integrado son algunos ejemplos.
El ingeniero y el científico de materiales son especialistas
totalmente involucrados en la investigación y en el
diseño de materiales. (Callister y Rethwisch, 2010, p.1).
1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
1.2.1 Metales
a) Ferrosos
 Aceros al carbono (0 – 2.14%C)
 Fundiciones (2.14 - 6.67%C)
 Aceros aleados
b) No Ferrosos

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Cobre, Aluminio, Plomo, Estaño, Zinc, Níquel,
Cromo, Manganeso, Magnesio, Molibdeno,
Tungsteno, Vanadio, Titanio, Metales preciosos,
etc.
1.2.2 Cerámicos y vidrios
a) Cerámicos tradicionales
Arcilla, Barro, Caolín
b) Cerámicos de Ingeniería
 Cerámicos en la industria automotriz
 Cerámicos en la industria eléctrica
 Cerámicos en industria en general
1.2.3 Polímeros (Plásticos)
a) Naturales
 Celulosa de plantas
 Seda
 Caseina de la leche
 Cuero
 Lana de borrego
 Caucho
 Algodón
 Proteínas

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b) Sintéticos (Derivados del petróleo)
 Etileno
 Polietileno (PE)
 Estireno
 Poliestireno (PS)
 Policloruro de vinilo (PVC)
 Polipropileno (PP)
 Acrilonitrilo Butadeno Stireno (ABS)
 Policarbonato (PC)
 Polietileno de Baja densidad (LDPE)
 Polietileno de Alta densidad (HDPE)
 Resinas
 Nylon, etc.
1.2.4 Compuestos
 Un material compuesto puede ser la combinación
de metal-polímero, metal-cerámico, polímero-
cerámico, con el objeto de mejorar sus
propiedades individuales. A más de los materiales
anteriores, se considera como materiales
compuestos al:
 Hormigón
 Madera
 Plástico reforzado con fibra de vidrio

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1.2.5 Conductores
 Oro
 Plata
 Cobre
 Aluminio
 etc.
1.2.6 Semiconductores
 Arsenio de Galas (GaAs)
 Sulfuro de Cadmio (CdS)
1.2.7 Aislantes
 Polímeros
 Cerámicos
 Madera
 Algunos Compuestos
1.2.8 Magnéticos
 El hierro hasta 7270
C
 Aceros al Silicio
1.2.9 No magnéticos
 Madera

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 Cerámicos
 Polímeros
 No ferrosos
 Algunos ferrosos
1.3 EL HIERRO
Es conocido industrialmente como hierro dulce, y a
pesar de considerarse como elemento puro, contiene
otros elementos que debido a su bajo contenido no son
considerados como aleantes. Estos son:
 Carbono 0.012%
 Manganeso 0.017%
 Fósforo 0.005%
 Azufre 0.025%
 Silicio insignificante
El hierro puro es considerado como material Alotrópico,
lo que significa que puede adoptar diferentes estructuras
cristalinas o reticulares, al variar la temperatura.
1.3.1 Estructuras cristalinas presentes en el hierro puro
1. Cúbica Centrada en el Cuerpo.
Que viene del inglés (Body Centered Cubic) y es más
conocida como estructura cristalina BCC.

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Figura 1-1. Estructura cristalina BCC. (Callister y
Rethwisch, 2014, p.56)
Número de átomos = átomos de las esquinas + átomo del
centro
Número de átomos = 8(1/8) +1 = 2 átomos
2. Cúbica Centrada en las Caras.
Que viene del inglés ( Face Centered Cubic) y
es más conocida como estructura cristalina F.C.C
Figura 1-2. Estructura cristalina FCC. (Callister y Rethwisch,
2014, p.53)
Número de átomos = átomos de las esquinas + átomos de
las caras
Número de átomos = 8(1/8) + 6(1/2) = 1+3 = 4 átomos

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1.3.2 Curva de enfriamiento del hierro puro
Figura 1-3. Curva de enfriamiento del hierro puro. (El autor)
1.4 DIAGRAMA HIERRO - CARBONO
Figura 1-4. Diagrama hierro - carbono. (Callister y
Rethwisch, 2014, p.333)

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δ = Hierro delta (BCC)
γ = Hiero gamma o austenita (FCC)
α = Hierro alfa o ferrita (BCC)
1.4.1 Aceros al carbono (0 - 2.14% C)
 Aceros Hipoeutectoides (0 - 0.76% )
Figura 1-5. Acero 0.38%C formado por perlita y ferrita
proeutectoide a 635x. (Callister y Rethwisch, 2014, p.339)
 Aceros Hipereutectoides (0.76 - 2.14%)

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Figura 1-6. Acero hipereutectoide con 1.4%C, formado por
cementita blanca y perlita laminar gruesa a 1000x. (Callister y
Rethwisch, 2014, p.344).
1.4.2 Fundiciones (2.14 – 6.67 % C)
Fundiciones Hipoeutecticas (2.14 - 4.3% C )
Fundiciones Hipereutecticas (4.3 - 6.67% C)
1.4.3 Puntos isotérmicos
Punto Peritéctico (P) a 1493ºC
Punto Eutéctico (E) a 1147ºC
Punto Eutectoide (J) a 727ºC

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1.4.4 Reacciones isotérmicas
1. Reacción Peritéctica Ecuación
δ +L δ+L γ
γ
2. Reacción Eutéctica
L
γ+Fe3C L γ+Fe3C
3. Reacción Eutectoide
γ γ α+Fe3C
α+Fe3C
1.4.5 Microestructuras Del diagrama Fe-C
a) Austenita (γ). También conocida como Hierro
Gamma, tiene estructura cristalina FCC, Máximo

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Contenido de carbono 2.14 %wt, Resistencia Tensil
150,000 PSI, Dureza 40 HRC, Alargamiento en 2”
10%
Figura 1-7. Microestructura de la austenita a 325x. (Callister y
b) Ferrita (α). También conocida como Hierro Alfa,
tiene estructura cristalina BCC, mmáximo contenido de
carbono 0.022% wt, resistencia tensil 40,000 PSI, dureza
90 HB, alargamiento en 2” 40 %.

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Figura 1-8. Microestructura de la ferrita. (El autor)
c) Perlita. Es la mezcla eutectoide α + Fe3C, tiene un
contenido de carbono de 0.76 %wt, resistencia tensil
120,000 PSI, dureza 20 HRC, Alargamiento en 2” 20 %.
Figura 1-9. Perlita a 200x, tomada con microscopio electrónico
de barrido de un acero al carbono UNS G10800. (ASM Hand
Book, 2004, Volumen 9, p. 1447)

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1.5 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS
Figura 1-10. Clasificación de los aceros. (El autor)

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5. De acuerdo a la composición Química
Este método es el más difundido a nivel mundial. Según
el American Iron and Steel Institute AISI ( Instituto
Americano del Hierro y del Acero) y la Society of
Automotive Engineers SAE (Sociedad de Ingenieros
Automotrices), la designación de los aceros se realiza
por medio de 4 o 5 dígitos, de los cuales el primer dígito
indica el tipo de acero así:
Si el primer dígito es el 1 indica que es acero al carbono
Si el primer dígito es el 2 indica que es acero al níquel
Si el primer dígito es el 3 indica que es acero al cromo-
níquel
Si el primer dígito es el 4 indica que es acero al
molibdeno
Si el primer dígito es el 5 indica que es acero al cromo
El segundo digito indica el porcentaje aproximado que se
encuentra en el acero el elemento de aleación
predominante.

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Los dos o tres últimos dígitos expresan el porcentaje
medio de carbono dividido para cien.
Ejemplos:
1. Un acero SAE 1018 significa que es un acero al
carbono con 0.18% de C.
Figura 1-11. Acero 1018, 100x, nital 4, 3s. (El autor)
Figura 1-12. Acero 1045, 100x, nital 2, 10s. (El autor)

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2. Un acero SAE 10120, es un acero al carbono con
1.2%C.
3. Una cero SAE 2540 significa que es un acero al
níquel con 5% de níquel y 0.40% de C.
Los números fundamentales de la serie de 4 dígitos
correspondientes a los distintos tipos de aceros al
carbono y aleados son:
 10XX Acero al carbono obtenido del horno
Martín Siemens
 11XX Acero al carbono altos en azufre y bajos
en fósforo
 12XX Aceros al carbono altos en azufre y
fósforo
 13XX Manganeso 1.60 a 1.90%
 23XX Níquel 3.5%
 25XX Níquel 5%
 31XX Níquel 1.25%, cromo 0.60%
 32XX Níquel 1.75%, cromo1%
 33XX Níquel 3.5%, cromo 1.5%
 40XX Molibdeno 0.25%
 41XX Cromo 1%, molibdeno 0.2%
 43XX Cromo-níquel-molibdeno
 46XX Níquel 1.75%, molibdeno 0.25%
 48XX Níquel 3.5%, molibdeno 0.25%
 52XX Cromo 0.8%
 52XX Cromo 1.5%

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 61XX Cromo vanadio
 86XX Níquel 0.55%, cromo 0.5%, molibdeno
0.20%
0.25%
 92XX Manganeso 0.8%, silicio 2%
0.12%
 98XX Níquel 1%, cromo 0.8%, molibdeno
0.25%
Las series faltantes significan que ya no se producen a
nivel comercial.
1.6 CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES
1.6.1 Por el contenido de carbono:
 Fundiciones Hipoeutécticas ( 2.14% - 4.3% C )
 Fundiciones Hipereutecticas ( 4.3% - 6.67% C )
1.6.2 De acuerdo a sus propiedades
a) Fundición Blanca.- Debido a la gran cantidad de fase
Cementita, la fundición blanca es extremadamente dura y
muy frágil hasta el punto de ser inmecanizable. Su
aplicación se limita a componentes de gran dureza y
resistencia al desgaste y sin ductilidad, como en cilindros

Segundo Espín L
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de trenes de laminación. Generalmente la fundición
blanca se fabrica como punto de partida para la fundición
maleable.
Figura 1-13. Fundición blanca 100x. (Pastor, 2009).
b) Fundición Gris.- La mayor parte o todo el carbono se
encuentra libre formando láminas de grafito laminar,
contienen de 2.5% C a 4% C y de 1% Si a 3% Si, es
frágil y poco resistente a la tracción, las láminas de
grafito actúan como puntos de concentración de tensiones
a tensión resistiendo más a compresión. Se utiliza como
amortiguamiento de energía vibracional en bancadas de
máquinas, en elementos que requieran resistencia al
desgaste.

Segundo Espín L
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Figura 1-14. a) Fundición gris a 400x, nital 2, 3s. b) Fundición
gris zona perlítica, a 400x, nital 2, 3s. (El Autor).
c) Fundición Maleable.- Se obtiene al tratar
térmicamente la fundición blanca a temperaturas
comprendidas entre 800 - 9000
C, durante períodos
prolongados de tiempo en atmósfera neutra para evitar la
oxidación, la cementita se descompone para formar
grafito en forma de racimos o rosetas dentro de una
matriz ferrítica o perlítica.
Figura 1-15. Fundición Maleable a 400X, atacado con nital 2,
durante 3s. (El Autor).

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d) Fundición dúctil o esferoidal.- Mediante la adición
de elementos de aleación especiales se logra que el
carbono quede en su mayor parte sin combinar, y adopte
una forma esferoidal compacta. Esta estructura difiere de
la fundición maleable en que se obtiene directamente en
la solidificación.
Figura 1-16. a) Fundición nodular (dúctil) con matriz ferrítica a
200x. (Callister y Rethwisch, 2014, p.56), b) Fundición nodular
a 400x, nital 2, 3s. (Pastor, 2009)
e) Fundición Atruchada.- Es aquella cuyas capas
superficiales están formadas por fundición blanca y el
núcleo por fundición gris.

Segundo Espín L
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Figura 1-17. Microestructura de una fundición atruchada.
(Pastor, 2009).
f) Fundición Aleada.- cuyas propiedades son algunas de
las indicadas anteriormente, modificadas por la adición
de elementos de aleación.
Figura 1-18. Fundición aleada, 200x, nital 2, 5s. Existe presencia
de grafito nodular, grafito laminar y arborescencias. (El Autor).

Segundo Espín L
23
1.6.3 De acuerdo al porcentaje de Silicio
Figura 1-19. Diagrama de Maurer para fundiciones. (Pastor,
2005, p.50)
1.7 ACEROS ALEADOS
Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que
además de los cinco elementos: carbono, silicio,
manganeso, fósforo y azufre, también contienen
cantidades relativamente importantes de otros elementos
como molibdeno, cromo, níquel, etc., que sirven para
mejorar algunas de sus características fundamentales.
Los elementos de aleación más frecuentes que se utilizan
para la fabricación de aceros aleados son: níquel,

Segundo Espín L
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manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno,
cobalto, silicio, cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio,
niobio, aluminio y boro.
Utilizando aceros aleados se puede lograr:
 Elevada resistencia a temperatura ambiente
 Resistencia a altas temperaturas
 Grandes durezas con tenacidad
 Resistencia a la acción de agentes corrosivos
1.7.1 Influencia que ejercen en las características y
propiedades de los aceros los elementos de aleación
a) Níquel: Mejora las propiedades de los aceros y se los
puede utilizar en la fabricación de piezas de máquinas y
motores de alta calidad. El níquel evita el crecimiento de
grano en tratamientos térmicos. Los aceros al níquel
quedan después del temple y revenido con muy buena
tenacidad.
Entre todos los elementos aleados, el níquel, que
cristaliza como austenita en estructura FCC, es el único
que forma con el hierro una serie continua de soluciones

Segundo Espín L
25
sólidas. El níquel hace descender la temperatura de
transformación gamma-alfa y, por lo tanto, tiende a
estabilizar a bajas temperaturas la fase austenítica de
caras centradas. Las aleaciones con más de 30% de
níquel son austeníticas a la temperatura ambiente, y
poseen ciertas propiedades magnéticas.
El níquel es un elemento de extraordinaria importancia
en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a
altas temperaturas. La aleación hierro-níquel con menos
de 0,10% de carbono y 36% de níquel tiene una
dilatación muy baja, casi nula, entre 0°C y 100°C y
recibe el nombre de invar.
b) Cromo: Se utiliza en aceros inoxidables y en los de
resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas
desde 0,3 a 30% de Cr según los casos, y sirve para
aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los
aceros, mejora la templabilidad, impide las
deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al
desgaste, y corrosión.
c) Molibdeno: Este elemento mejora la resistencia a la
tracción, la templabilidad, la resistencia al creep de los

Segundo Espín L
26
aceros. También aumenta la resistencia de los aceros en
caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de
aceros rápidos, pudiendo emplear para las mismas
aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno
por cada dos de wolframio.
d) Wolframio: Es un elemento muy utilizado para la
fabricación de aceros para herramientas, aceros rápidos,
aceros para herramientas de corte, y aceros para trabajos
en caliente. Sirve para aumentar la dureza a elevadas
temperaturas y evitan que se desafilen o ablanden las
herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500° ó
600°C. También se usa para la fabricación de aceros para
imanes.
e) Vanadio: Se emplea principalmente para la
fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el
grano y disminuir la templabilidad. Es un elemento
desoxidante muy fuerte.
f) Manganeso: El manganeso aparece prácticamente en
todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade
como elemento de adición para neutralizar la perniciosa
influencia del azufre y del oxígeno, que siempre suelen

Segundo Espín L
27
contener los aceros cuando se encuentran en estado
líquido en los hornos durante el proceso de fabricación.
El manganeso actúa también como desoxidante y evita,
en parte, que en la solidificación del acero se desprendan
gases que den lugar a la formación de porosidades
perjudiciales en el material.
Este se suele usar también como elemento de aleación.
Al aumentar de 0,6 a 1,6% aproximadamente el
porcentaje de manganeso en los aceros, se aumenta
ligeramente su resistencia, se mejora su templabilidad,
siendo interesante destacar que el manganeso es un
elemento de aleación relativamente barato.
g) Silicio: Este elemento aparece en todos los aceros, al
igual que el manganeso, se añade intencionalmente
durante el proceso de fabricación. Es un desoxidante más
enérgico que el manganeso y se emplea como elemento
desoxidante complementario del manganeso con objeto
de evitar que aparezcan en el acero poros y defectos
internos. Las adiciones de silicio se hacen durante la
fabricación, suelen ser relativamente pequeñas y
variables (0,2- 0,35% de Si).

Segundo Espín L
28
Una clase de acero para muelles muy empleadas contiene
cantidades de silicio de 1,5 a 2,25% de Si. En los aceros,
el silicio sirve para aumentar ligeramente la
templabilidad y elevar sensiblemente el límite elástico y
la resistencia a la fatiga de los aceros sin reducir su
tenacidad. Se emplean aceros de 1 a 4,5% de Si para la
fabricación de chapa magnética.
h) Cobalto: El cobalto se emplea casi exclusivamente en
los aceros rápidos de más alta calidad. Este elemento, al
ser incorporado a los aceros, se combina con la ferrita,
aumentando su dureza y resistencia. En los aceros de alto
porcentaje de carbono reduce la templabilidad. En los
aceros al wolframio endurece la ferrita con lo que facilita
el mantenimiento de la dureza y de la aptitud de corte de
las herramientas a elevada temperatura. El cobalto se
suele emplear en los aceros rápidos al wolframio de
máxima calidad en porcentaje variable de 3 a 10%. Los
aceros para imanes con cobalto, contienen además cromo
y wolframio
i) Aluminio: El aluminio se emplea como elemento de
aleación en los aceros de nitruración, que suelen contener

Segundo Espín L
29
1% aproximadamente de aluminio. También se usa en
algunos aceros resistentes al calor. El aluminio es un
elemento desoxidante muy enérgico y es frecuente añadir
300gr por tonelada de acero para desoxidarlo y afinar el
grano. En general los aceros aleados de calidad contienen
aluminio en porcentajes pequeñísimos de 0,001 a 0,008%
de Al.
j) Titanio: Se suelen añadir pequeñas cantidades de
titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y
afinar el grano.
El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a
combinarse con el nitrógeno. En los aceros inoxidables
cromo-níquel, actúa como estabilizador de los carburos y
evita la corrosión ínter cristalina.
k) Cobre: EL cobre se suele emplear para mejorar la
resistencia a la corrosión de ciertos aceros de 0,15 a
0,30% de carbono, que se usan para grandes
construcciones metálicas. Se suelen emplear contenidos
de cobre variables de 0,4 a 0,5%.

Segundo Espín L
30
l) Boro: El boro es un elemento de aleación que ha
comenzado a ser empleado recientemente.
Experimentalmente se ha visto que cantidades
pequeñísimas de boro del orden 0,001 a 0,006%, mejoran
notablemente la templabilidad, siendo en este aspecto el
más efectivo de los elementos aleados y el de mayor
poder templante de todos. Su eficacia para mejorar la
templabilidad es extraordinaria, y para 0,40% de carbono
puede decirse que su efecto es, aproximadamente, unas
50 veces mayor que el del molibdeno, unas 75 veces
mayor que el cromo, unas 150 veces mayor que el
manganeso y unas 400 veces mayor que el níquel
La utilización de este elemento se comprende que es de
un interés extraordinario, pero su empleo, que tiene sobre
todo eficacia en los aceros de `0, 30 a 0,50% de carbono,
presenta bastantes dificultades.
La solubilidad del boro en el hierro es de 0,15% a
1174°C y de 0,06% a la temperatura ambiente. Durante
los procesos de fabricación su incorporación al baño
metálico es difícil, ya que por ser un desoxidante
enérgico es un elemento que se oxida fácilmente y tiene

Segundo Espín L
31
también gran avidez con el nitrógeno que contiene el
acero. (Barreiro, J. Aceros especiales, Editor: Dossat)
1.7.2 Acero al níquel
El níquel fue uno de los primeros metales que se utilizó
como elemento de aleación, y constituye un elemento
fundamental para la fabricación de los aceros especiales,
presenta una solubilidad limitada en hierro gamma, y es
muy soluble en ferrita, contribuyendo a la resistencia y
tenacidad de esta fase.
La estructura de los aceros al níquel sin templar contiene
un porcentaje de perlita más elevada que los aceros
ordinarios al carbono en las mismas condiciones.
Los aceros al níquel son muy adecuados para la
fabricación de aceros estructurales de gran resistencia,
los cuales se emplean en forma de perfiles laminados, o
para la obtención de piezas grandes en estado de forja.

Segundo Espín L
32
Figura 1-20. Acero ASTM A36, 200X, nital 4, 8s. (El autor).
1.7.3 Acero al cromo
Este tipo de aceros presenta una fuerte tendencia a formar
carburos de cromo (Cr7C3) y carburos complejos, los
cuales presentan una dureza elevada y ofrecen resistencia
al desgaste.
Cuando el cromo se encuentra en cantidades superiores al
5% mejoran notablemente las propiedades en caliente y
la resistencia a la corrosión de los aceros, se utiliza para
la fabricación de engranajes, ejes, muelles, pernos, etc.
Los aceros altos en carbono (1%) y altos en cromo
(1.5%) son duros y resistentes al desgaste utilizándose en
la fabricación de rodamientos de bolas y de rodillos, en
la construcción de quebrantadoras.

Segundo Espín L
33
Los aceros al cromo con 1% de carbono y del 2% al 4%
de cromo presentan propiedades magnéticas, por lo que
se utiliza para la construcción de electroimanes.
Los aceros altos en cromo tienen un contenido superior al
10%, se caracterizan por su elevada resistencia a la
corrosión.
1.7.4 Aceros al cromo – níquel
Las proporciones de este tipo de aceros son de 2.5 partes
de níquel a una de cromo. La adición de uno o más
elementos de aleación al acero normal suele conferir a
éste algunas propiedades características de cada uno de
ello.
El cromo proporciona resistencia al desgaste a la capa
dura, en tanto que ambos elementos mejoran la tenacidad
del núcleo. Los aceros con 1.5% de níquel y 0.60% de
cromo se utilizan para la fabricación de tornillos sin fin,
muñones de pie de biela, etc. Los aceros al cromo-níquel
con contenidos medios de carbono se emplean en la
industria automotriz en la fabricación de bielas, ejes, etc.

Segundo Espín L
34
1.7.5 Aceros al níquel-cromo-molibdeno
El níquel, el cromo y el molibdeno permiten incrementar
la templabilidad del acero. En general, el uso de níquel es
el más caro por unidad de templabilidad incrementada.
Sin embargo, su uso se hace necesario cuando la
tenacidad es un criterio básico.
El cromo añade resistencia a la corrosión, a la oxidación,
a temperaturas elevadas y a la abrasión.
El molibdeno permite incrementar la templabilidad y
ayuda a mantener un valor específico para esta. También
incrementa la resistencia a la fluencia y a la ductilidad a
temperaturas elevadas. Estos grados suelen tratarse
térmicamente para conseguir propiedades específicas.
Designación del grado: 43XX, 43BVXX, 47XX, 81XX,
86XX, 87XX, 88XX, 93XX, 94XX, 97XX, 98XX,
PSXX (antes, grados EX). (Recuperado de
http://www.timken.com/es/products/Steel/productlist/typ
es/Pages/Nickel-Chromium-Molybdenum.aspx).

Segundo Espín L
35
1.7.6 Aceros al manganeso
El manganeso es uno de los elementos de aleación más
baratos, aparece en todos los aceros, debido a que se
añade como desoxidante. Únicamente cuando el
contenido de manganeso de un acero es superior al 1% se
lo considera como acero aleado. El manganeso influye
notablemente en la resistencia y dureza del acero.
Se utiliza con mayor frecuencia en la fabricación de
engranajes, tubos de fusil, ejes para piezas de forja.
1.7.7 Aceros al molibdeno
El molibdeno es uno de elementos de aleación
relativamente caro que presenta una solubilidad limitada
en los hierros alfa y gamma, y tiene una fuerte tendencia
a formar carburos.
Este elemento tiene una gran influencia en la
templabilidad y mejora la resistencia y dureza de los
aceros. El molibdeno se puede emplear con mucha
frecuencia en combinación con el níquel o el cromo
ambos simultáneamente. Los aceros al cromo–níquel con
un contenido medio de carbono presentan una

Segundo Espín L
36
templabilidad muy elevada y son utilizados en la
industria aeronáutica, en la estructura de las alas, fuselaje
y tren de aterrizaje.
1.7.8 Aceros al tungsteno
El tungsteno influye notablemente en la templabilidad,
tiene una gran tendencia a formar carburos y retarda el
ablandamiento de la martensita por revenido en general,
el efecto del tungsteno sobre el acero es igual al del
molibdeno aunque se requiere cantidades mayores,
aproximadamente un 2 a 3% de tungsteno, equivale al
1.6% de molibdeno. El tungsteno es relativamente caro, y
se nenecita grandes cantidades para conseguir un efecto
apreciable. Su principal aplicación son los aceros de
herramientas.
1.7.9 Aceros inoxidables
Tienen excelente resistencia a la corrosión, contienen un
mínimo de 10% Cr, lo que permiten que se forme una
delgada capa de óxido de cromo al contacto con el
oxígeno.

Segundo Espín L
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1.7.10 Aceros inoxidables ferríticos
Contienen hasta 30% Cr y menos de 0.12% C, tiene
buena resistencia mecánica, ductilidad moderada y
excelente resistencia a la corrosión.
1.7.11 Acero inoxidable martensítico
Figura 1-21. Acero inoxidable martensítico tipo 440C endurecido
por austenizado a 10100
C y enfriado en aire, se observa carburos
primarios en matriz de martensita, a 500x. (Smith y Hashemi,
2006, p.427).

Segundo Espín L
38
1.8 METALES NO FERROSOS
1.8.1 Cobre y aleaciones
El cobre sin alear es blando y dúctil que es difícil
mecanizar y trabajar en frío, es resistente a la corrosión
en la mayoría de los medios como medio ambiente, agua
salada y algunos químicos. La resistencia mecánica y
resistencia a la corrosión se puede mejorar con aleación.
La mayoría de aleaciones de cobre no endurecen por
tratamiento térmico, por lo que esta propiedad se mejora
con acritud y formación de soluciones sólidas.
El cobre es un buen conductor del calor y la electricidad,
tiene un punto de fusión de 1083º C, una densidad de
8.96 gr /cm³, con una estructura cristalina FCC (cúbica
centrada en las caras), una conductividad térmica del
0.941 cal/ cm²- cm./ºc.sg, y un módulo de elasticidad de
12500 Kg./mm.
Tipos de cobre
 Cobre de fácil mecanizado (0.6% de telurio)
 Cobre electrolito (99.9% de cobre)
 Cobre arsenical (0.3% de arsénico)

Segundo Espín L
39
 Cobre argentífero 220-945 gr de plata/ tonelada
métrica de cobre
Aleaciones de cobre
a) Latones (Cu + Zn)
La aleación más común es el latón, donde el zinc
actúa como soluto y es el principal elemento de
aleación.
Figura 1-22. Latón policristalino a 60x. (Callister y
Latones alfa (trabajo en frío)
Contienen un mayor porcentaje de Zn (36%)
 Latones rojos (5 - 20% de Zn)
 Latones amarillos (20 - 36% de Zn)
o Latón naval
o Latón de cartuchería

Segundo Espín L
40
Figura 1-23. Latón alfa policristalino a 100x. (Geoge y Voort,
Carpenter Technology Corporation.)
Latones alfa + beta (trabajo en caliente)
Metal de Muntz (60% Cu y 40% Zn)
Figura 1-24. Lámina de metal de Muntz laminado en caliente
(60% Cu – 40% Zn), presenta una fase beta oscura y una fase
alfa clara, 75x. (Smith y Hashemi, 2006, p.423).

Segundo Espín L
41
Aplicaciones de los latones
Bisutería, municiones, radiadores de automóviles,
instrumentos musicales, monedas, tubería, válvulas, etc.
b) Bronces (Cu + Sn)
Son aleaciones de cobre con estaño, pudiendo también
alearse con aluminio, silicio y níquel, estas aleaciones
son más resistentes que los latones, teniendo alta
resistencia a la corrosión.
a) Bronces ordinarios (fosforosos)
b) Bronces al silicio (< 12% de Si)
c) Bronces al aluminio (4 al 11% de Al)
d) Bronces al berilio (2% de berilio)
e) Bronces especiales
Figura 1-25. Bronce ASTM B147-7A a 100X. (El autor).
c) Cuproníqueles (Cu + Ni) (30% Ni)

Segundo Espín L
42
d) Plata alemana (Cu + Ni + Zn)
Contiene entre 50 a 70% de cobre, níquel de 5 a 30%
y zinc de 5 a 40%. La adición de níquel a las
aleaciones de cobre - zinc, confieren a estas un color
blanco azulado, parecido a la plata, con una buena
resistencia a la corrosión. Se utilizan en la fabricación
de bajillas domésticas, clavos, tuercas, cremalleras,
objetos de bisutería, equipos de electrodomésticos,
etc.
e) Aleación inteligente con memoria de forma CuZnAl
Figura 1-26. Aleación 75%Cu-18.71%Zn-6.13%Al, a 100x, (El
autor).

Segundo Espín L
43
f) Aleación inteligente con memoria de forma
CuZnNi
Figura 1-27. Aleación inteligente 74.3%Cu - 22.33%Al-3.31%Ni
- 0.054%K, a 100x, (Urbina, 2014).
1.8.2 Aluminio y aleaciones
El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por su baja
densidad (2.7 gr/cm3
), elevada conductividad eléctrica y
térmica y resistencia a la corrosión, además es muy dúctil
permitiendo transformarlo en finísimas láminas de papel
aluminio. El aluminio tiene estructura cristalina cúbica
centrada en las caras (FCC), la principal limitación del

Segundo Espín L
44
aluminio es su bajo punto de fusión (6600
C) que restringe
su campo de aplicación a levadas temperaturas.
El aluminio se puede alear con el cobre, magnesio,
silicio, manganeso y zinc. Algunas aleaciones de
aluminio se pueden utilizar en partes estructurales de los
aviones, latas de bebidas, partes de carrocerías de
autobuses y automóviles, en pistones, bielas, manivelas,
radiadores, blocks de vehículos, poleas, tubería, perfiles,
rejillas de desague, duchas eléctricas, intercambiadores
de calor, aletas de enfriamiento, etc.
Aleaciones de aluminio:
La designación se lo hace mediante cuatro dígitos, de los
cuales el primero indica el tipo de aleación y el segundo
la modificación de la aleación original, o los límites de
las impurezas.
El cero designa la aleación original y los números dígitos
del 1 al 9 expresan distintas modificaciones de la
aleación.
 1XXX Aluminio de grado de pureza 99% o
superior
 2XXX Cobre

Segundo Espín L
45
 3XXX Manganeso
 4XXX Silicio
 5XXX Magnesio
 6XXX Magnesio y Silicio
 7XXX Cinc
 8XXX Otros elementos
 9XXX Series no utilizadas
En el grupo 1XXX correspondientes a los tipos de
aluminio con un grado de pureza mínimo de 99%, las dos
últimas cifras expresan la diferencia entre la pureza del
aluminio considerado y la mínima en 100 centésimas
Ejemplo:
El aluminio 1060 nos indica que es un aluminio de
99.60% de pureza, y en el cual no se ejerce un control
especial sobre las impurezas consideradas
individualmente.
En los grupos de aleación 2XXX al 9XXX las dos
últimas cifras sirven únicamente para definir las
diferentes aleaciones del aluminio del grupo.

Segundo Espín L
46
Figura 1-28. Pistón de automóvil, 100x, Keller, 21s. (El Autor).
1.8.3 Magnesio y aleaciones
Su principal propiedad es su densidad (1.7 gr/cm3
),
siendo la menor de los metales estructurales, el magnesio
tiene estructura cristalina hexagonal compacta (HCP), es
blando y con bajo módulo de elasticidad (45x103
MPa), es
difícil de deformar a temperatura ambiente, por lo que se
puede conformar por moldeo entre 200 – 3000
C. El
magnesio tiene un punto de fusión de 6510
C,
químicamente las aleaciones de magnesio son inestables
y susceptible a la corrosión marina.

Segundo Espín L
47
El magnesio se puede alear con el aluminio, zinc,
manganeso, y algunas tierras raras.
El magnesio y sus aleaciones se pueden aplicar en
aviones, misiles, maletas, discos de automóviles, etc.
1.8.4 Titanio y sus aleaciones
Es un material de Ingeniería relativamente nuevo y tiene
una extraordinaria combinación de propiedades, tiene una
densidad de 4.5 gr/cm3
, punto de fusión de 16680
C, y un
módulo de elasticidad de 107x103
MPa.
Las aleaciones de titanio son extremadamente resistentes
alcanzando 1400 MPa a temperatura ambiente, estas
aleaciones son dúctiles, forjables y fácil de mecanizar,
posee una elevada resistencia a la corrosión.
Se utiliza en aviones, vehículos espaciales, en industria
petrolera y química.
La limitación del titanio es su reactividad química a
elevada temperatura con otros materiales.

Segundo Espín L
48
1.8.5 Metales refractarios
Son aquellos que tiene un punto de fusión
extremadamente elevado, en este grupo se incluyen al
niobio (Nb), el molibdeno (Mo), el tungsteno (W), y el
tántalo (Ta). El rango de temperaturas va desde 24680
C
para el niobio a 34100
C para el tungsteno, sus enlaces son
extremadamente fuertes, tienen una gran dureza, elevada
resistencia a altas temperaturas, un gran módulo de
elasticidad.
El Tántalo y el molibdeno se utilizan para alear al acero
para aumentar la resistencia a la corrosión. Las
aleaciones de molibdeno se utilizan para fabricar
matrices de extrusión, y partes estructurales de vehículos
espaciales; el tungsteno se utiliza en filamentos de
bombillos, tubos de rayos x, y en electrodos de
soldadura.
1.8.6 Superaleaciones
Tienen una gran combinación de propiedades, se utiliza
en componentes de turbinas espaciales que están
expuestos a medios oxidantes a elevada temperatura en
tiempos prolongados.

Segundo Espín L
49
Son aleaciones aleadas con cobalto, níquel o hierro; que
pueden tener además metales refractarios (Nb, Mo, W,
Ta), cromo y titanio. Se utilizan además en reactores
nucleares, y equipos petroquímicos.
1.8.7 Plomo
El plomo tiene un gran peso, densidad elevada, poca
dureza, es maleable, tiene un bajo punto de fusión
(327ºC), densidad de (11.4 gr. /cm³) y poca resistencia
mecánica, poder de lubricación, baja conductividad
eléctrica y gran resistencia a la corrosión.
Se utiliza para la fabricación de baterías, para fabricar
gasolina reduciendo el octanaje para evitar las
detonaciones, en pinturas, por su peso se fabrican
contrapesos de plomo, por su gran densidad se utiliza
como protector de rayos x, α, γ, su flexibilidad permite
usarlo como recubrimiento en cables, se utiliza en la
industria química, y cuando se utiliza como aleante
mejora la maquinabilidad. En la actualidad su uso está
siendo limitado por su poder cancerígeno.

Segundo Espín L
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1.8.8 Estaño
Es blando de color blanco, tiene buena resistencia a la
corrosión, buenas propiedades lubricantes, se utiliza para
soldar equipos eléctricos y electrónicos formando una
aleación con el estaño con 5% de antimonio a 5% de
plata.
Como elemento aleante se utiliza al cobre y al antimonio.
1.8.9 Zinc
Se utiliza para revestimiento del acero y protegerlo de la
corrosión. El cinc como oxido se emplea en la
fabricación de elementos cerámicos, cemento dental,
baldosas, pinturas y en ciertos productos de goma.
1.8.10 Metales nobles o preciosos
Reciben este nombre el oro, la plata, platino, rodio,
rutenio, iridio y osmio.
El oro, la plata y el platino se usan en joyería por ser
blando, dúctiles y resistentes al calor, la plata y el oro se
puede aumentar la resistencia aleándoles con cobre.
Aleaciones de plata y oro se utilizan como materiales de

Segundo Espín L
51
reparación dental; el oro se utiliza en algunos contactos
de circuitos eléctricos impresos; el platino se utiliza para
equipos de laboratorio químico como catalizador en la
fabricación de gasolina y para construir termopares para
medición de temperatura elevada.
Se caracterizan por su blandura, buena conductividad
eléctrica y térmica, gran resistencia a la corrosión.
Aleaciones:
 Aleación de plata - cobre
 Aleación de plata- cobre -zinc
1.9 CERÁMICOS Y VIDRIOS
Los cerámicos están formados por materiales
inorgánicos, materiales metálicos y no metálicos (óxidos,
carburos y nitruros), cuyos enlaces interatómicos pueden
ser de carácter totalmente iónico, o bien de carácter
predominante iónico con algún carácter covalente;
además se incluyen los minerales de arcilla, cemento y
vidrio. Por lo general se trata de materiales que son
aislantes eléctricos y térmicos y que ha elevada
temperatura y en ambientes agresivos son más resistentes

Segundo Espín L
52
que los metales y polímeros, son más duros y frágiles,
pero resistentes al desgaste y corrosión
El termino cerámico proviene de la palabra griega
keramos, que significa arcilla de alfarero y keramicos,
que significa objetos de arcilla, el primer uso de la
cerámica se encontró en la alfarería desde unos 4000
años antes de Cristo. Hasta hace aproximadamente 45
años se utilizaban las cerámicas tradicionales cuya
materia prima era la arcilla, barro y caolín. En la
actualidad a surgido una nueva generación de materiales
cerámicos, utilizándose en la Industria electrónica,
eléctrica, informática, de comunicaciones, aeroespacial,
etc. Los cerámicos se dividen en dos grupos:
1.9.1 Los cerámicos tradicionales.- Dentro de este
grupo tenemos a las vasijas, la porcelana fina, tejas,
ladrillos, baldosas, alfarería en general, piedras
abrasivas, cuya materia prima es la arcilla que además
tienen otros minerales diferentes de los anteriores, que se
denominan minerales asociados (cuarzo, feldespatos,
calcita, pirita) y ciertas fases asociadas no cristalinas, que
pueden o no impartir plasticidad. A continuación
tenemos algunos ejemplos de estos cerámicos.

Segundo Espín L
53
Figura 1-29. Vaso Northampton. (Recuperado de
http://descubrimientosfamosos.blogspot.com.es/2012_06_20_arc
hive.html).
Figura 1-30. Elaboración de objetos de cerámica. (Recuperado
de http://objetosartesanalesceramica.blogspot.com/)

Segundo Espín L
54
1.9.2 Cerámicos industriales.- Conocidos como
cerámicos de ingeniería o cerámicos finos, se utilizan en
componentes para turbinas, automóviles, naves
aeroespaciales, intercambiadores de calor, en
semiconductores, en prótesis, en herramientas de corte,
cemento dental, en la industria electrónica, eléctrica,
informática, de comunicaciones, etc.
Figura 1-31. Horno eléctrico con ladrillo refractareo FICM-
UTA. (El autor)
Materias primas:
Son un grupo de materiales no metálicos que en la
mayoría están formados por polvos de alta pureza a base

Segundo Espín L
55
de óxidos (de Al, Si, Zr, Be, B), carburos, nitruros y
boruros
a) Óxidos
Los óxidos son los más utilizados en la fabricación de
elementos cerámicos, y dentro de estos el más importante
es el óxido de aluminio (Al2O3), ya que tiene una
elevada dureza. Se usan también como materiales
refractarios para aplicaciones de alta temperatura. El
óxido de titanio es utilizado como materia prima de los
cerámicos, tiene buena tenacidad, resistencia al choque
térmico, es resistente al desgaste y a la corrosión, tiene
baja conductividad térmica y bajo coeficiente de fricción.
El óxido de magnesio y óxido de calcio han sido
utilizados durante mucho tiempo para la fabricación de
refractarios estructurales.
b) Carburos:
Los ejemplos típicos de carburos son:
 Carburo de tungsteno (WC)
 Carburo de titanio (TiC)
 Carburo de silicio (SiC)

Segundo Espín L
56
Que son utilizados como abrasivos especialmente en
piedras de afilar, refractarios, en cerámica eléctrica y
estructural.
Carburo de tungsteno.- Está formado por partículas de
tungsteno con cobalto como aglutinante, la cantidad de
aglutinante tiene una influencia importante en las
propiedades del material, la tenacidad se incrementa con
el contenido de cobalto, en tanto que la dureza, la
resistencia mecánica y la resistencia al desgaste se
reducen, se utiliza en la cerámica electrónica.
Carburo de titanio.- Utiliza al níquel y al molibdeno
como aglutinante y no es tan tenaz como el carburo de
tungsteno.
Carburo de silicio.- Tiene una buena resistencia al
desgaste, al choque térmico y a la corrosión. Tiene
coeficiente de fricción bajo y conserva la resistencia
mecánica a temperaturas elevadas. Es adecuado para
componentes de altas temperaturas en motores térmicos y
también se utiliza como abrasivo, al carburo de silicio
sintético se manufacturan a partir de la arena de sílice, y
pequeñas cantidades de cloruro de sodio.

Segundo Espín L
57
b) Nitruros.- Los ejemplos típicos de los nitruros son:
 Nitruros de boro cúbico (CbN)
 Nitruros de titanio ( TiN)
 Nitruros de silicio (Si3N4)
Nitruro de boro cúbico
La segunda sustancia más dura conocida después del
diamante, es el nitruro de boro cúbico, tiene aplicaciones
especiales en herramientas de corte.
Nitruro de Titanio
Se utiliza ampliamente como recubrimiento para
herramientas de corte, mejorando la vida de la
herramienta en virtud de su característica de baja
fricción.
Nitruro de Silicio
Tiene elevada resistencia a la termofluencia a
temperaturas elevadas, una dilatación térmica baja, en
consecuencia es resistente al choque térmico. Es
adecuado para aplicaciones estructurales a alta
temperaturas, como en componentes automotrices,

Segundo Espín L
58
turbinas de gas, cojinetes y en componentes de la
industria del papel.
1.9.3 Vidrio
El vidrio es un solidó amorfo con la estructura de un
líquido, en otras palabras es un líquido súper enfriado, ya
que es enfriado a una velocidad demasiada elevada para
permitir la formación de cristales.
Figura 1-32. Estructura típica del vidrio. (Callister y Rethwisch,
2014, p.97)
El vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes,
botellas y una gran variedad de productos. El vidrio es un
tipo de material cerámico amorfo.

Segundo Espín L
59
El ingrediente principal del vidrio es la sílice que se
funde a 15000
C, obtenida a partir de arena, pedernal o
cuarzo.
Composición y propiedades
La sílice se funde a temperaturas muy elevadas para
formar vidrio. Como éste tiene un elevado punto de
fusión y sufre poca contracción y dilatación con los
cambios de temperatura, es adecuado para aparatos de
laboratorio y objetos sometidos a choques térmicos
(deformaciones debidas a cambios bruscos de
temperatura), como los espejos de los telescopios. El
vidrio es un mal conductor del calor y la electricidad, por
lo que resulta práctico para el aislamiento térmico y
eléctrico. En la mayoría de los vidrios, la sílice se
combina con otras materias primas en distintas
proporciones. Los fundentes alcalinos, por lo general
carbonato de sodio o potasio, disminuyen el punto de
fusión y la viscosidad de la sílice. La piedra caliza o la
dolomita (carbonato de calcio y magnesio) actúan como
estabilizante. Otros elementos, como el plomo o el bórax,
proporcionan al vidrio determinadas propiedades físicas.

Segundo Espín L
60
(Recuperado.http://www.monografias.com/trabajos11/vid
rio/vidrio.shtml).
Figura 1-33. Elaboración de una jarra de vidrio. ( Química del
vidrio, Recuperado de http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio).
Tipos de vidrio
 Vidrio de ventana
 Vidrio de placa
 Vidrio para botellas y recipientes
 Vidrio óptico
 Vidrios fotosensibles
 Vitrocerámica
 Fibra de vidrio

Segundo Espín L
61
Figura 1-34. Algunas formas de presentación del vidrio.
(Recuperado de http://www.fotosearch.es/fotos-imagenes/vidrio-
pelotas-fibra-vidrio-procesamiento.html).
Tabla 1-1. Composición y características de algunos vidrios
comunes comerciales. (Callister y Rethwisch, 2014, p.512).

Segundo Espín L
62
Aplicaciones de los vidrios
Figura 1-35. Aplicaciones de los vidrios. (El autor)
Figura 1-36. Otras aplicaciones de los vidrios. (Recuperado de
http://es.123rf.com/imagenes-de-archivo/vidrio.html)

Segundo Espín L
63
El vidrio es un material totalmente reciclable y no hay
límite en la cantidad de veces que puede ser reprocesado.
Al reciclarlo no se pierden las propiedades y se ahorra
una cantidad de energía de alrededor del 30% con
respecto al vidrio nuevo. Para su adecuado reciclaje el
vidrio es separado y clasificado según su tipo el cual por
lo común está asociado a su color, una clasificación
general es la que divide a los vidrios en tres grupos:
verde, ámbar o café y transparente.
Figura 1-37. Reciclado del vidrio. Baldosa de vidrio reciclado.
(Recuperado de http://www.google.com.ec/search?q=vidrio&hl).

Segundo Espín L
64
1.9.4 El diamante
El diamante es un alótropo del carbono donde los
átomos de carbono están dispuestos en una variante de la
estructura cristalina cúbica centrada en la cara
denominada «red de diamante». El diamante es la
segunda forma más estable de carbono, después del
grafito.
Uno de los primeros usos de los diamantes en la industria
se encontraba en un polvo abrasivo, que se utilizó para
cortar y pulir. El diamante negro también es muy
utilizado en la perforación para la prospección geológica.
Otros usos de los diamantes industriales incluyen el corte
de vidrio y la porcelana, la cirugía dental y los cojinetes
en los relojes.
El diamante tiene enlace covalente entre sus átomos. En
particular, el diamante tiene la más alta dureza y
conductividad térmica de todos los materiales. Estas
propiedades determinan que la aplicación industrial
principal del diamante sea en herramientas de corte y de
pulido.

Segundo Espín L
65
La mayoría de diamantes naturales se forman a
condiciones de presión alta y temperatura alta, existentes
a profundidades de 140 km a 190 km en el manto
terrestre. Los diamantes son llevados cerca a la superficie
de la Tierra a través de erupciones volcánicas profundas
por un magma, que se enfría en rocas ígneas conocidas
como kimberlitas y lamproitas. Los diamantes también
pueden ser producidos sintéticamente en un proceso de
alta presión y alta temperatura que simula
aproximadamente las condiciones en el manto de la
Tierra. Una alternativa, y técnica completamente
diferente, es la deposición química de vapor.
El diamante tiene una dureza de 10 (la máxima dureza)
en la escala de Mohs de dureza de minerales o de 7000-
8000 dureza kannop.
El uso industrial de los diamantes ha sido asociado
históricamente con su dureza; esta propiedad hace al
diamante el material ideal para herramientas de cortado y
pulido. Como material natural más duro conocido, el
diamante puede ser usado para pulir, cortar, o erosionar
cualquier material, incluyendo otros diamantes. Las

Segundo Espín L
66
adaptaciones industriales comunes de esta habilidad
incluyen brocas y sierras, y el uso de polvo de diamante
como un abrasivo. Los diamantes de grado industrial
menos caros, conocidos como bort, con muchas fallas y
color más pobre que las gemas, son usados para tales
propósitos. El diamante es frágil y se empieza a
descomponer en el aire aproximadamente a 700ºC, en
entornos no oxidantes resisten a altas temperaturas.
Figura 1-38. Aplicaciones del diamante. (El autor)

Segundo Espín L
67
Figura 1-39. Otras aplicaciones del diamante. (Recuperado de
http://jcm.es/productos/diamante/)
1.10 POLÍMEROS (PLÁSTICOS)
Un polímero está formado por varias unidades pequeñas
llamadas monómeros unidas por enlace covalente.
En la actualidad se utilizan polímeros sintéticos
derivados del petróleo, el más simple es el polietileno,
siendo el etileno el monómero a partir del cual se forma:

Segundo Espín L
68
La unidad estructural que se repite a lo largo de la cadena
polimérica se denomina unidad repetitiva y la reacción
en la cual los monómeros se unen entre sí para formar el
polímero se denomina reacción de polimerización.
(Maier Marta. Departamento de Química Orgánica
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. UBA)
1.10.1 Historia de los polímeros
El primer polímero se originó como resultado de un
concurso realizado en 1860 en los Estados Unidos,
cuando se ofrece pagar 10.000 dólares a quien produjera
un sustituto del marfil (cuyas reservas se agotaban), en
este concurso gano el premio John Hyatt, quien invento
un plástico al que llamo celuloide. El celuloide se
fabricaba disolviendo celulosa, un hidratado de carbono
obtenido de las plantas, en una solución de alcanfor y
etanol, con él se empezaron a fabricar distintos objetos

Segundo Espín L
69
como mangos de cuchillos, marcos para lentes y películas
cinematográficas, a fines del siglo XIX el celuloide
puede ser ablandado repetidamente y moldeado de nuevo
mediante calor, por lo que recibe el calificativo de termo
plástico. En 1907 se inventó la bakelita, que es el primer
plástico certificado como termo fijo o termo estable:
plásticos que pueden ser fundidos y moldeados mientras
están calientes, pero que no pueden ser moldeados de
nuevo una vez que ya se han enfriado. La bakelita es un
aislante y es resistente al agua, a los ácidos y al calor
moderado, propiedades que son utilizadas en el campo
industrial. Luego se inventó el polietileno (PE) y él
polipropileno (PP).
Al remplazar en el etileno un átomo de hidrogeno por
uno de cloruro, se produjo el cloruro de polivinilo (PVC)
que es un plástico duro y resistente al fuego,
especialmente adecuado para cañerías de todo tipo. Al
agregarle diversos aditivos se logra un material más
blando que es sustituto del caucho, comúnmente utilizado
para ropa impermeable, manteles, cortinas, juguetes, etc.
Un plástico parecido al (PVC) es el politetrafluoretileno
(PTFE) conocido popularmente como teflón y usado para

Segundo Espín L
70
rodillos y sartenes antiadherentes. En Alemania fue
desarrollado el poliestireno (PS) que es un material muy
trasparente comúnmente utilizado para bazos y
accesorios de servicio doméstico. El químico Walace
Carothers, que trabajaba para una empresa Dupon
inventa la primera fibra artificial conocida como nylon y
fue aprovechada para la fabricación de paracaídas para
las fuerzas armadas de los Estados Unidos durante la
segunda guerra mundial, extendiéndose rápidamente a la
industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos
combinados con algodón o lana. En la presente década
principalmente en lo que tiene que ver con el envasado
en botellas y plásticos se ha desarrollado
vertiginosamente el uso del tereftalato de polietileno
(PET) material que viene desplazando al vidrio y al PVC
en el mercado de envases. (Recuperado de
http:Materiales Plásticos. docx).
En la tabla 1-2 se muestra algunos códigos recomendados
para polímeros.

Segundo Espín L
71
Tabla 1-2. Códigos recomendados para polímeros. (El autor)
IMAGEN ABREVIATURA NOMBRE
PETE O PET Tereptalato de polietileno
HDPE Polietileno de alta densidad
PVC O V Policloruro de polivinilo
LDPE Polietileno de baja
densidad
PP Polipropileno
PS Poliestireno
Otros o 0 Otros plásticos

Segundo Espín L
72
Figura 1-40. Obtención de una botella de coca cola por soplado.
(Recuperado:http://industriaplastica.blogspot.com/2011/10/sopla
do.html).
El moldeo por soplado es un proceso utilizado para
fabricar piezas de plástico huecas gracias a la expansión
del material. Esto se consigue por medio de la presión
que ejerce el aire en las paredes de la preforma
1.10.2 Materia prima de los polímeros
Como hemos visto en su historia, los polímeros al
principio se fabricaban a partir de resinas de origen
vegetal, como la celulosa proveniente del algodón, el
furfutal proveniente de la avena, aceites de semillas y

Segundo Espín L
73
derivados del almidón o del carbón. La caseína de la
leche era uno de los materiales no vegetales utilizado.
A pesar que la producción de nylon se basaba
originalmente en el carbón, el aire y el agua, y de
semillas de resinas, en la actualidad se elaboran de
derivados del petróleo, por ser baratos.
1.10.3 Aditivos
Con frecuencia se utilizan aditivos químicos para
conseguir una propiedad determinada por ejemplo:
Los antioxidantes protegen a los polímeros de
degradaciones químicas, causadas por el oxígeno y el
ozono. Los plastificantes producen un polímero más
flexible, los lubricantes reducen la fricción, y los
pigmentos colorean a los plásticos.
Muchos plásticos se fabrican en forma de materia
compuesta, lo que implica la visión de alguna materia de
refuerzo (normalmente fibras de vidrio o carbono) a la
matriz de la resina plástica. Los materiales compuestos
tienen la resistencia y la estabilidad similar a los metales,
pero que por lo general son más ligeros. Las espumas

Segundo Espín L
74
plásticas, compuestas de plástico y gas (espuma flex)
proporcionan una masa de gran tamaño, pero muy
ligeras.
1.10.4 Clasificación de los polímeros
Existen diferentes formas de clasificar a los polímeros:
a) Según su composición:
Homopolímeros: formados por una única unidad
repetitiva.
Ej: polimetacrilato de metilo
Copolimeros: Formados por más de una unidad
repetitiva.
Ej. : 2 monómeros:

Segundo Espín L
75
Unidades repetitivas
Estas unidades repetitivas pueden distribuirse de distintas
maneras a lo largo de la cadena del polímero. Por
ejemplo:
 Al azar AABBBABABABBBAAABBBABB
 En forma alternada ABABABABABABABAB
 En bloque AAAABBBAAAABBBAAAABBB
Los copolímeros presentan propiedades intermedias entre
las de los homopolímeros que se formarían a partir de
cada tipo de monómero por separado.
b) Según su estructura
 Lineales: formados por monómeros
difuncionales. Ej: polietileno, poliestireno.
 Ramificados: se requiere el agregado de
monómeros trifuncionales, por ejemplo, glicerol.

Segundo Espín L
76
 Entrecruzados: Se forma un material compuesto
por una molécula tridimensional continua, toda
ella unida por enlaces covalentes (resinas
ureaformaldehído y fenol-formaldehído).
c) Según la reacción de polimerización:
• Polimerización por reacción en cadena (o adición)
Se genera una partícula reactiva (radical, anión o catión)
a partir de una molécula demonómero y ésta se adiciona
a otro monómero de manera repetitiva.
Ej: Polimerización de monómeros vinílicos:
El alcohol polivinílico no existe como monómero, ya que
esta molécula existe en la forma ceto, es decir, como
acetaldehído. El alcohol polivinílico se obtiene por
hidrólisis del grupo acetato de polivinilo.

Segundo Espín L
77
Polimerización por crecimiento en pasos (o
condensación)
Los monómeros que reaccionan tienen un grupo
funcional reactivo en cada extremo de la molécula y la
unión entre los monómeros requiere la pérdida de una
molécula pequeña, normalmente H2O.
Ej: Reacción de esterificación
Ejemplos de polímeros de condensación son los
poliésteres y las poliamidas, entre otros.
d) Según su comportamiento frente al calor
 Termoplásticos.- Son aquellos que necesitan calor
para poderlos deformar y después de enfriarse
mantienen la forma a que fueron moldeados. Estos se
pueden calentar y moldearlos muchas beses sin que
experimenten ningún cambio significativo de sus
propiedades. La mayoría de los termoplásticos,
consisten en cadenas principales muy largas de

Segundo Espín L
78
átomos de carbono enlazados entre sí, también se
pueden encontrar enlazados de forma covalente
átomos de hidrógeno, oxígeno o azufre.
 Termoestables.-Son aquellos que no pueden ser
refundidos y remoldeados en otra forma sino que se
descomponen al ser calentados a temperaturas
demasiado altas, por ello no se puede reciclar. El
término termoestables implica que el calor es
necesario para que el plástico mantenga
permanentemente la forma. (Recuperado de
http://www.detextiles.com/files/ESTRUCTURA%20
DE%20LOS%20POLIMEROS.pdf).
La mayoría de los plásticos termoestables, consisten en
una red covalente de átomos de carbono enlazados entre
sí para formar un sólido rígido. Los plásticos son
materiales importantes para la ingeniería por muchas
razones.
Presentan gran variedad de propiedades algunas de las
cuales son incalculables con relación a otros materiales, y
en la mayoría de los casos son relativamente de bajo
precio. Para diseño de ingeniería mecánica, tiene mucha
ventaja, como eliminación de muchas operaciones de

Segundo Espín L
79
acabado, simplificación de montaje, eliminación de peso,
reducción de ruido, aislante, etc.
e) Según su área de aplicación:
 plásticos
 elastómeros
 fibras
Los polímeros inteligentes y sus aplicaciones
Músculos artificiales, administración de fármacos,
ventanas y gafas inteligentes, camisetas para obtener
información del cuerpo humano, son sólo algunas de las
potenciales aplicaciones de estos interesantes materiales.
No cabe duda de que los polímeros inteligentes aportarán
un gran beneficio a nuestras vidas, siendo la
investigación la principal vía para conseguir que los
resultados del laboratorio se conviertan en aplicaciones
reales.
En la figura 1-41, se muestra algunas aplicaciones de los
polímeros más comerciales.

Segundo Espín L
80
1.10.5 Aplicaciones de los polímeros
Figura 1-41. Aplicaciones de los polímeros. (Recuperado de
http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com.es/2012/03/extrusion
-soplado.html).
1.10.6 Ventajas y desventajas de los polímeros
Los polímeros son populares porque son:
 Económicos.
 Livianos y pueden sustituir a la madera, la piedra,
cerámicos y al metal.
 Muy resistentes a la oxidación, al ataque de
ácidos y bases.

Segundo Espín L
81
 Inalterables a los agentes atmosféricos como la
luz, el aire y el agua.
 Muy Versátiles. Se fabrican con ellos objetos de
diferentes formas, texturas y colores, pueden ser
suaves como las plumas y más resistente que el
mismo acero.
 Son aislantes de la corriente eléctrica.
Sin embargo, como en todas las cosas, estas mismas
ventajas pueden ser sus peores inconvenientes. La
alta resistencia a la corrosión, al agua y a la
descomposición bacteriana, los convierten en
residuos difíciles de eliminar, y consecuentemente, en
un gran problema ambiental. La basura plástica puede
permanecer por décadas o siglos sin destruirse.
1.11 MATERIALES COMPUESTOS
Los materiales compuestos son aquellos que están
formados por combinaciones de metales, cerámicos y
polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas
combinaciones son superiores a la de los materiales que
los forman por separado, lo que hace que su utilización
cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas

Segundo Espín L
82
piezas en las que se necesitan propiedades combinadas
(rigidez, resistencia, peso, rendimiento a altas
temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la
fatiga, dureza, conductividad), en la que un material
(polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede
brindar.
Las propiedades que se obtienen son un producto de la
combinación de los refuerzos que se utilicen y de la
matriz que soporta al refuerzo en los materiales
compuestos.
La desventaja de los materiales compuestos es el costo,
donde las características de los materiales y de los
procesos encarecen mucho el producto. Además del
refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes
como cargas y aditivos que dotan a los materiales
compuestos de características peculiares para cada tipo
de fabricación y aplicación.
Los materiales compuestos pueden estar reforzados por
partículas, fibras o láminas. El hormigón es una mezcla
de cemento y grava siendo un compuesto particulado, la
fibra de vidrio que contiene fibras de vidrio incrustadas

Segundo Espín L
83
en un polímero es un plástico reforzado con fibras de
vidrio, y la madera contrachapada o triplay que contiene
chapas alternas de chapa de madera es un compuesto
laminar. Si las partículas de refuerzo están distribuidas
uniformemente, los compuestos particulados tendrán
propiedades isotrópicas; los compuestos con fibras
pueden ser isotrópicos o anisotrópicos; los laminares
siempre tienen un comportamiento anisotrópico.
Figura 1-42. Ejemplos de materiales compuestos a) madera
contrachapada, b) fibra de vidrio, c) concreto. (Askeland, 2004,
p.722).

Segundo Espín L
84
1.11.1 Estructura de los materiales compuestos
Matriz.
Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se
puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los
refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de
forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al
material compuesto. El comportamiento a la fractura
también depende de la resistencia de la interfase. Una
interfase débil da como resultado un material con baja
rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y
viceversa.
Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas
y Matrices inorgánicas.
Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM)
han sido destinados especialmente a aplicaciones
estructurales en la industria automotriz, aeroespacial,
militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente
exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para
el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y
electrónico, se requiere en el diseño de los materiales,

Segundo Espín L
85
propiedades termomecánicas y termofísicas con una
máxima transferencia de calor.
Los materiales metálicos de uso más común en CMM son
las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de
mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad,
buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la
degradación ambiental y fácil manipulación. También se
destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está
investigando el uso de semiconductores, superaleaciones
y compuestos intermetálicos.
1.11.2 Refuerzos
Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres
categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto
de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una
gran mejora mediante el uso de fibras continuas,
reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado.
Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los
problemas de ataque químico por parte de la matriz, los
posibles cambios estructurales con alta temperatura, la
posible disolución de la fibra en la matriz y la

Segundo Espín L
86
relativamente fácil oxidación de las fibras de metales
refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de
materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al
enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más
empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que
entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven
en la matriz, mantienen su resistencia a altas
temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se
oxidan y tienen baja densidad.
Partículas: El uso de partículas como material
reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que
asocian menores costos y permiten obtener una mayor
isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo,
para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener
un estricto control del tamaño y la pureza de las
partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso
en forma de partícula son los carburos (TiC, B4C), los
óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de
silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a
utilizar partículas de refuerzo de compuestos
intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y
Fe-Al.

Segundo Espín L
87
Fibras discontinuas o whiskers: Las fibras discontinuas
utilizadas normalmente para la producción de CMM son
comercializadas en diferentes diámetros (entre 3 y 5
mm). El uso de éste tipo de fibras conduce a propiedades
inferiores que las fibras continuas, por lo que su costo se
reduce. Los whiskers tienen diámetros menores a 1 mm
y pueden tener una longitud de hasta 100 mm, por lo que
pueden considerarse como refuerzos discontinuos. Los
principales tipos de whiskers disponibles en el mercado
son los de SiC y Si3N4. Aunque este tipo de refuerzo ha
sido de uso frecuente, su utilización se ha visto
restringida en algunos países a causa de su carácter
nocivo para la salud humana.
1.11.3 Interfase matriz-refuerzo
La zona de interfase es una región de composición
química variable, donde tiene lugar la unión entre la
matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las
cargas aplicadas entre ambos y condiciona las
propiedades mecánicas finales de los materiales
compuestos. Existen algunas cualidades necesarias para
garantizar una unión interfacial adecuada entre la matriz

Segundo Espín L
88
y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por
parte de la matriz metálica, que asegure un contacto
inicial para luego, en el mejor de los casos, generar la
unión en la interfase una estabilidad termodinámica
apropiada (ya que al interactuar estos materiales, la
excesiva reactividad es uno de los mayores
inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de
unión suficientes que garanticen la transmisión de
esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean además
estables en el tiempo bajo altas temperaturas. En el sector
eléctrico y electrónico, se debe tener en cuenta que los
CET de la matriz y de los refuerzos deben ser similares
para limitar los efectos de los esfuerzos internos a través
de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas
temperaturas.
1.11.4 CMM propiedades y comportamiento
Bajo condiciones ideales, el material compuesto muestra
un límite superior de propiedades mecánicas y físicas
definido generalmente por la regla de las mezclas. Es
posible sintetizar material compuestos con una
combinación de propiedades específicas de la aleación

Segundo Espín L
89
(tenacidad, conductividad eléctrica y térmica, resistencia
a la temperatura, estabilidad ambiental, procesabilidad)
con las propiedades específicas de los cerámicos
reforzantes (dureza, alto módulo de Young, bajo
coeficiente de expansión térmica). Es así como por
ejemplo, un material compuesto AlCuMgAg/SiC/60p
muestra una mejora de cada una de sus propiedades,
tanto mecánicas como térmicas al compararlo con la
aleación base. (Pino Rivero Lazaro. Universidad Central
de Las Villas. Cuba)
Figura 1-43. Aplicación de varios materiales usados en el Boeing
787 Dreamliner. (Callister y Rethwisch, 2014, p.669).

Segundo Espín L
90
1.12 MATERIALES CONDUCTORES
Los materiales conductores son aquellos que permiten la,
conducción del calor y la electricidad a través de ellos,
los más importantes son:
 Oro
 Plata
 Cobre
 Aluminio
1.13 MATERIALES SEMICONDUCTORES
Son aquellos que no son ni buenos conductores ni buenos
aislantes, es decir que conducen el calor y la electricidad
a medias.
 Óxido de zinc (ZnO)
 Arsenio de gala (GaAs)
 Sulfuro de cadmio (CdS)
Los semiconductores se aplican en gran escala en el
campo de la electrónica y la electricidad.

Segundo Espín L
91
CAPITULO II
2. ESTRUCTURA ATÓMICA Y ENLACES
2.1 INTRODUCCIÓN
Algunas de las propiedades más importantes de los
materiales sólidos dependen de la disposición geométrica
de los átomos y de las interacciones que existen entre los
átomos y de las moléculas constituyentes.
2.2 ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS
Los átomos constan de tres partículas subatómicas
denominadas: protones, neutrones y electrones. El
modelo simple de un átomo considera un núcleo muy
pequeño de aproximadamente 10-14
m de diámetro,
rodeado por una nube de electrones relativamente poco
dispersa y de densidad variable, de tal manera que el
diámetro del átomo es del orden del 10-10
m. El núcleo
constituye casi toda la masa del átomo y contiene

Segundo Espín L
92
protones y neutrones. Un protón tiene una masa de
1.673x10-24
gr y una carga unitaria de + 1.602x10-19
culombios (C). El neutrón es ligeramente más pesado que
el protón y tiene una masa de 1.675x10-24
gr pero no
tiene carga. El electrón tiene una masa relativamente
pequeña de 9.109x10-28
gr y una carga unitaria de -
1.602x10-19
C que es igual a la carga del protón pero de
signo contrario.
Los electrones externos de la nube electrónica
determinan la mayoría de las propiedades eléctricas,
mecánicas, químicas y térmicas de los átomos, por
consiguiente es importante un estudio básico de la
estructura atómica para el estudio de los materiales de
ingeniería.
2.3 NÚMEROS ATÓMICOS Y MASAS ATÓMICAS
2.3.1 Números atómicos (Z)
Nos indican el número de protones cargados
positivamente que están en el núcleo y en un átomo
neutro, y también es igual al número de electrones de su
nube de carga.

Segundo Espín L
93
2.3.2 Masas atómicas (A)
La masa atómica relativa de un elemento es la masa en
gramos de 6.023x1023
átomos, conocido como el número
de Avogadro (NA) de ese elemento.
El átomo de carbono que tiene 6 protones y 6 neutrones,
es el átomo de carbono 12 y su masa es la masa de
referencia de las masas atómicas.
2.3.3 Número de neutrones (N)
El número de neutrones se puede calcular con la
siguiente ecuación:
2.1
Es decir el número de neutrones es igual a la masa
atómica aplicando la ley de redondeo menos el número
atómico.
Problema 2.1
a) ¿Cuál es la masa en gramos de un átomo de oro?
b) ¿Cuántos átomos hay en un gramo de oro?

Segundo Espín L
94
Solución
a) La masa atómica del oro es 196.96 gr/mol. Dado que
en 196.96 gr de oro hay 6.02x23
átomos, el número de
gramos en un átomo de oro es:
b) El número de átomos de oro en 1 gr de oro es:

Segundo Espín L
95
Problema 2.2
Un alambre de oro tiene 0.7 mm de diámetro y 8.0 cm de
largo. ¿Cuántos átomos contiene?. La densidad del oro es
19.3 gr/cm3
.
Solución
Primero determinamos la masa del alambre de oro con la
ecuación:
2.2
2.3
Dónde:
Calculamos el volumen del alambre de oro con la
( ) 2.4

Segundo Espín L
96
Dónde:
Reemplazando los valores tenemos:
Reemplazando
Finalmente calculamos el número de átomos con la
siguiente relación:

Segundo Espín L
97
Problema 2.3
Una soldadura contiene 52% en peso de estaño y 48% en
peso de plomo. ¿Cuáles son los porcentajes atómicos de
estaño y plomo en la soldadura?
Solución
Tomando como base 100 gr de la soldadura de 52% en
peso de estaño y 48% en peso de plomo, entonces tendría
52 gr de estaño y 48 gr de plomo, el número de mol-
gramo de estaño y plomo será de:
Gramos-moles totales = 0.6697 mol
Por lo tanto los porcentajes atómicos de estaño y plomo son:

Segundo Espín L
98
( )
( )
Problema 2.4
¿Cuál es la fórmula química de un compuesto intermetálico
que contiene 49.18% de Cu y 50.82% de Au?
Solución
Se determina primero las fracciones molares de Cu y Au en
este compuesto. Tomando como base 100 gr del compuesto se
tiene 49.18 gr de Cu y 50.82 gr de Au.
Por tanto,
( )
( )
Moles totales = 1.032 mol
Por tanto,
( )

Segundo Espín L
99
( )
La fórmula química resultante sería:
Cu0.75Au0.25
La fórmula química más simple con respecto a una base
entera se obtiene multiplicando tanto 0.75 como 0.25 por
4 para obtener Cu3Au que es la fórmula química más
simple.
2.3.4 Modelo atómico de Bohr
En esta teoría se supone que los electrones giran
alrededor del núcleo atómico en orbitales discretos y la
posición de un electrón particular se define con mayor o
menor precisión, en términos de su orbital. Este modelo
atómico se lo representa en la figura 2-1.
Número cuántico principal n.- Corresponde a la n de la
ecuación de Bohr. Representa los niveles energéticos
principales del electrón o las órbitas. Cuanto mayor sea el
valor de n, mayor será la energía electrónica y la
posibilidad de que el electrón este más alejado del
núcleo.

Segundo Espín L
100
Figura 2-1. Representación esquemática del átomo de Bohr.
(Callister y Rethwisch, 2014, p.22).
Los valores de n son números enteros positivos y varían
entre 1 y 7.
El número cuántico secundario l.- Este número
cuántico especifica los subniveles de energía dentro de
los niveles energéticos principales (sub órbita) donde la
probabilidad de encontrar un electrón es alta si ese nivel
energético está ocupado. Los valores permitidos son:

Segundo Espín L
101
l = 0, 1, 2, 3,……, n-1. Las letras s, p, d y f se emplean
para denominar los subniveles energéticos l de la
siguiente manera:
Número de denominación l = 0 1 2 3
Letra de denominación l = s p d f
Los subniveles energéticos s, p, d, f de un electrón se
denominan orbitales.
Número cuántico magnético ml.- Define la orientación
espacial de un orbital atómico y afecta poco la energía de
un electrón. El número cuántico ml tiene valores
permisibles entre – l y + l, incluido el cero. Cuando l = 0,
solo hay un valor permitido par ml, que es cero. Cuando l
= 1, hay tres valores permitidos para ml, que son -1, 0, y
+1. En general, hay 2l +1 valores permitidos para ml. En
términos de la notación de los orbitales s, p, d, y f, hay un
máximo de un orbital s, tres orbitales p, cinco orbitales d
y siete orbitales f para cada uno de los subniveles
energéticos s, p, d, y f permitidos.

Segundo Espín L
102
Número cuántico de giro del electrón ms o de spin.- Es
el cuarto número cuántico, expresa las dos direcciones de
giro permitidas para el giro del electrón en torno a su
propio eje. Las direcciones son en sentido horario y
antihorario y sus valores permitidos son y - , tiene
un efecto menor en la energía del electrón. Dos
electrones pueden ocupar el mismo orbital y si ocurre
eso, deben tener giros opuestos.
2.4 ESTRUCTURA ELECTRÓNICA
Los átomos constan de niveles principales de altas
densidades electrónicas, como lo dictan las leyes de la
mecánica cuántica. Existen siete de estos niveles
principales cuando el número máximo de electrones
alcanza 87 para el elemento francio (Fr). Cada nivel sólo
puede contener un número máximo de electrones, que
viene dado también por las leyes de la mecánica cuántica.
El número máximo de electrones que puede ubicarse en
cada nivel atómico se define por los diferentes grupos de
los cuatro números cuánticos según el principio de Pauli
y es 2n2
, donde n es el número cuántico principal. De este
modo solo puede haber un máximo de 2 electrones en el

Segundo Espín L
103
primer orbital, 8 en el segundo, 18 en el tercero, 32 en el
cuarto, etc. Como se indica en la siguiente tabla:
Tabla 2-1. Número máximo de electrones para cada nivel
atómico principal. (Smith y Hashemi, 2004, p.35).
Número de capa, n
(número cuántico
principal)
Número máximo
de electrones en
cada capa (2n2
)
Número máximo
de electrones en los
orbitales
1 2(12
) = 2 s2
2 2(22
) = 8 s2
p6
3 2(32
) = 18 s2
p6
d10
4 2(42
) = 32 s2
p6
d10
f14
5 2(52
) = 50 s2
p6
d10
f14
…
6 2(62
) = 72 s2
p6
…
7 2(72
) = 98 s2
…
2.4.1 Configuración electrónica de los elementos
La configuración electrónica de un átomo representa la
distribución de los electrones en sus orbitales. Están
escritas en una notación convencional que enumera en
primer lugar al del número cuántico principal, seguido de
una letra que indica el orbital s, p, d, o f. Una cifra escrita
sobre la letra del orbital indica el número de electrones
que contiene.

Segundo Espín L
104
Tabla 2-2. Configuraciones electrónicas de los elementos más
comunes. (Callister y Rethwisch, 2014, p.27).
El orden de llenado de los orbitales es el siguiente:

Segundo Espín L
105
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d10
4s2
4p6
4d10
4f14
5s2
5p6
5d10
5f14
6s2
6p6
6d10
7s2
2.4.2 Elementos electropositivos y electronegativos
Los elementos electropositivos son metálicos por
naturaleza y ceden electrones en las reacciones químicas
para producir iones positivos o cationes. El número de
electrones cedidos por un átomo electropositivo de un
elemento se indica por un número de oxidación positivo.
Los elementos más electropositivos están en los grupos
IA y IIA de la tabla periódica.
Los elementos electronegativos son no metálicos en
esencia y aceptan electrones en las reacciones químicas
para producir iones negativos o aniones. El número de
electrones aceptado por un átomo electronegativo de un
elemento es indicado por un número de oxidación
negativo. Los elementos más electronegativos están en
los grupos VIA y VIIA de la tabla periódica.
Algunos elementos de los grupos IVA hasta VIIA de la
tabla periódica pueden comportarse de manera
electropositiva o electronegativa. Este comportamiento
doble se presenta en los elementos tales como el carbono,
silicio, germanio, arsénico, antimonio y fósforo. En

Segundo Espín L
106
algunas reacciones tienen número de oxidación positivo,
donde muestran comportamiento electropositivo, y en
otras tienen números de oxidación negativos, donde
muestran comportamiento electronegativo.
Problema 2.5
Escriba la configuración electrónica para el átomo de
hierro y de los iones Fe2+
y Fe3+
empleando la notación
convencional spdf.
Solución
Para el Fe Z = 26
Para el Fe2+
Z = 24
Para el Fe3+
Z = 23. Entonces:
Fe: 1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d6
4s2
Fe2+:
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d6
Fe3+:
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
3d5

Segundo Espín L
107
2.5 Tabla periódica

Segundo Espín L
109
2.6 TIPOS DE ENLACES ATÓMICOS
Los enlaces químicos entre los átomos pueden dividirse
en dos grupos: primarios o enlaces fuertes y secundarios
o enlaces débiles.
2.6.1 Enlaces atómicos primarios
Los enlaces atómicos primarios se dividen en enlace
iónico, enlace covalente y enlace metálico.
Enlace iónico.- Se forman entre elementos muy
electropositivos (metálicos) y elementos muy
electronegativos (no metálicos). En la ionización los
electrones se transfieren desde átomos electropositivos a
los átomos electronegativos, produciendo cationes
cargados positivamente y aniones cargados
negativamente. Los enlaces iónicos se forman entre iones
con cargas opuestas porque se produce una disminución
neta de la energía potencial para los iones enlazados.
Como ejemplo tenemos la formación de un par iónico de
cloruro de sodio a partir de átomos de cloro y sodio,
como se puede observar en la siguiente figura.

Segundo Espín L
110
Figura 2-2. Representación esquemática de a) formación del
ión Na+
y ión Cl-
, b) unión iónica del cloruro de sodio.
Fuerzas interiónicas para un par de iones
Consideremos un par de iones con carga opuesta, como
por ejemplo el par iónico Na+
Cl-
que se aproximan entre
sí, desde una gran distancia con separación a. A medida
que los iones se acercan son atraídos entre sí por fuerzas
culombianas. Esto significa que el núcleo de un ión
atraerá la carga de la nube electrónica del otro y
viceversa. Cuando los iones se aproximan aún más, a la
larga, sus dos nubes electrónicas interaccionarán y
aparecerán fuerzas de repulsión. Cuando las fuerzas
atractivas igualan a las fuerzas de repulsión, no habrá
fuerza neta entre iones y éstos permanecerán a una
distancia de equilibrio a.

Segundo Espín L
111
La fuerza neta entre un par de iones con carga opuesta es
igual a la suma de las fuerzas atractivas y repulsivas así:
Fneta = Fatractivas + Frepulsivas 2.5
La fuerza atractiva entre el par de iones es la fuerza
culombiana que resulta cuando los iones son
considerados como cargas puntuales. Aplicando la ley de
coulomb con unidades del SI, puede escribirse la
2.6
Dónde:
Número de electrones cedidos o aceptados por
los átomos durante la formación del ión
= Carga del electrón (-1.602x10-19
C)
a = Distancia de separación interiónica
= Permitividad en el vacío (8.85x10-12
C2
/(N.m2
)
La fuerza de repulsión entre un par de iones ha resultado
de forma experimental inversamente proporcional a la

Segundo Espín L
112
distancia de separación interiónica a y puede describirse
por la ecuación:
2.7
Dónde a es la distancia de separación interiónica y b y n
son constantes; n varía generalmente desde 7 a 9 y es 9
para el NaCl.
Al sustituir las ecuaciones se tendrá la fuerza neta entre
el par iónico:
2.8
Problema 2.6
Calcule la fuerza de atracción entre el par de iones Ba2+
y
S2-
que apenas se tocan. Considere que el radio iónico del
Ba2+
es 0.143 nm y del S2-
es 0.174 nm.
Solución
z1 = +2 para Ba2+
z2 = -2 para S2-
e = -1.602x10-19
C

Segundo Espín L
113
= 8.85x10-12
C2
/(N.m2
)
a = suma de los radios de los iones de Ba2+
y S2-
a = 0.143 nm + 0.174 nm = 0.317 nm
a = 0.317 nm x 10-9
m/nm = 3.17x10-10
m
Reemplazando en la ecuación 2.6 tenemos:
[ ]
Energías interiónicas para un par de iones
La energía potencial neta (Eneta) entre un par de iones con
cargas opuestas, por ejemplo, Na+
Cl-
, que se encuentran
muy juntos, es igual a la suma de las energías asociadas
con la atracción y la repulsión de los iones y puede
determinarse con las siguientes ecuaciones:
2.9

Segundo Espín L
114
2.10
2.11
2.12
Problema 2.7
Calcule la energía potencial neta para el ión par Ba2+
S2-
empleando la constante b calculada con los datos del
ejercicio 2.6. Suponga n = 10.5.
Solución
En el ejercicio 2.6 se determinó que:
Como la fuerza atractiva es igual a la fuerza repulsiva
pero de signo contrario tenemos:
Despejando b tenemos:

Segundo Espín L
115
( )
2.13
También en el ejercicio 2.6 se determinó que a =
3.17x10-10
m, entonces remplazando en la ecuación 2.13
tenemos:
Reemplazando en la ecuación 2.12 tenemos:
[ ]
Enlace covalente.- Se forma entre átomos con pequeñas
diferencias de electronegatividad y ubicados muy
próximos en la tabla periódica. En el enlace covalente,
los átomos generalmente comparten sus electrones

Segundo Espín L
116
externos s y p con otros átomos, de modo que cada átomo
alcanza la configuración electrónica de gas noble.
Figura 2-3. Representación esquemática del enlace covalente de
una molécula de hidrógeno H2. (Callister y Rethwisch, 2014,
p.36).
Figura 2-4. Representación esquemática del enlace covalente de
una molécula de silicio. (Askeland y Phulé, 2004, p.47)
En este tipo de enlace, cada uno de los átomos contribuye
con un electrón a la formación del par de electrones del

Segundo Espín L
117
enlace y las energías de los átomos asociados con el
enlace decrecen como consecuencia de la interacción de
los electrones. En el enlace covalente pueden formarse
enlaces múltiples de pares de electrones por un átomo
consigo mismo o con otros átomos.
Enlace metálico.- Se presenta en los metales y
aleaciones sólidas, los átomos están ordenados y muy
juntos en una ordenación sistemática o estructura
cristalina. Los metales tienen uno, dos y hasta tres
electrones de valencia y no pertenecen a ningún átomo en
particular y son libres de circular a través del metal.
Figura 2-5. Ilustración esquemática del enlace metálico.
Se puede interpretar que pertenecen al metal formando
una nube de electrones, el núcleo y los electrones que no
son de valencia forman cationes que poseen una carga

Segundo Espín L
118
positiva igual al total de electrones de valencia por
átomo.
2.6.2 Enlace secundario o de Van Der Waals
Los enlaces secundarios de Van Der Waals o físicos, son
débiles comparados con los primarios o químicos. La
fuerza motriz para la formación del enlace secundario es
la atracción de los dipolos eléctricos contenidos en los
átomos o en las moléculas.
Se crea un momento dipolar eléctrico al separar dos
cargas iguales y opuestas. Los dipolos eléctricos se crean
en los átomos o en las moléculas cuando existen centros
con cargas positiva y negativa, como se puede observar
en la siguiente figura:
Figura 2-6. Ilustración esquemática del enlace de Van Der Waals
entre dos dipolos. (Callister y Rethwisch, 2014, p.40).

Segundo Espín L
119
Al calentar el agua hasta el punto de ebullición se
rompen los enlaces de Van Der Waals y el agua se
convierte en vapor, pero son necesarias temperaturas
mucho más altas para romper los enlaces covalentes que
unen los átomos de oxígeno y de hidrógeno. Los enlaces
de Van Der Waals pueden modificar de manera notable
las propiedades de los materiales.
Enlaces mixtos
En la mayor parte de los materiales, el enlace entre los
átomos es una mezcla de dos o más tipos, pudiendo ser:
iónico-covalente, metálico-covalente, metálico-iónico.
Por ejemplo el hierro está enlazado por una combinación
de enlace metálico y covalente, lo que impide que los
átomos se empaqueten tan eficientemente como
quisiéramos. Los compuestos formados a partir de dos o
más metales (compuestos intermetálicos) pueden estar
enlazados mediante una mezcla de enlaces metálicos y
iónicos particularmente cuando existe una diferencia
importante de electronegatividades entre elementos.
Muchos compuestos cerámicos y semiconductores, que
son combinaciones de elementos metálicos y no

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