Física del estado sólido

• Enlaces atómicos y moleculares

• Clasificación de los materiales de ingeniería

INDICE

1.- Introducción

2.-Enlaces químicos y moleculares

Fuerzas y energía de enlace

Tipos de enlace

• Enlace iónico

• Enlace covalente

• Enlace metálico

• Enlace secundario o de van der Waals

3.- clasificación de los materiales de ingeniería

Historia de los materiales y su clasificación

La estructura de los materiales

Tipos de materiales

Propiedades mecánicas y físicas de los materiales

• Densidad

• Punto de fusión

• Temperatura de transición vítrea

• Coeficiente de expansión térmica lineal

• Conductividad térmica

• Esfuerzo

• Deformación

• Ductilidad

• Mecánica de la fractura y tenacidad a la fractura

• Fatiga

• Termofluencia

Comportamiento eléctrico y conductividad de los materiales

Clasificación de los materiales

• Materiales metálicos

• Polímeros

• Materiales compuestos

• Semiconductores

4.- bibliografía

INTRODUCCIÓN:

El átomo es la entidad más pequeña que influye directamente en las propiedades de los materiales. En este trabajo se repasara de qué manera podemos inferir de inmediato algunas de las características químicas y formación de enlaces de los elementos. Estas características determinan y tipo y la fuerza de los enlaces que el elemento puede formar con los átomos (elementos). El tipo y la fuerza del enlace determinan las propiedades físicas y mecánicas del material sólido que se forma.

ENLACES QUIMICOS Y MOLECULARES

Fuerzas y energía de enlace

Cuando se forman enlaces entre átomos existe afinidad química entre estos. Cuando no hay afinidad química, los átomos no se unen, cada uno de ellos está bien separado de los demás, y los elementos son gaseosos a temperaturas y presiones ordinarias. Cuando hay afinidad química, existe una fuerza de atracción electroestática (coulómbica)positiva de largo alcance, FA, que acerca mucho los átomo unos a otros. Esto se muestra en la figura 1, donde la atracción ocurre entre el núcleo de un átomo (N1) y los electrones e2 del otro átomo N2. Cuando los átomos están muy próximos entre si, se manifiesta una fuerza de repulsión negativa, FR, cuyo origen es le repulsión mutua de los electrones, e1 y e2. La fuerza de enlace total, FB, es la suma de las fuerzas de atracción y repulsión; es decir,

FB = FA + FR

e1 e2

Fuerza de atracción de largo alcance entre cargas

Positivas (núcleos) y cargas negativas (electrones)

Fuerza de repulsión de corto alcance entre

Cargas del mismo signo (electrones - electrones)

Fig. 1. Esquema de dos átomos separados, donde se indican las fuerzas de atracción y de repulsión

Se acostumbra utilizar la energía, en vez de la fuerza, para analizar los enlaces entre átomos.

Fig. 2. Curva de energía de enlace

Tipos de enlace

Enlace iónico

El enlace iónico (o enlazamiento iónico) es el resultado de trasferencia de electrones (o paso de electrones) de un átomo a otro. El enlace iónico se forma entre un átomo electropositivo y uno electronegativo. El átomo electropositivo cede sus electrones y el átomo electronegativo los acepta. Como resultado de este proceso se forman iones positivos (con valencia +n1) y negativos (con valencia - n2) con configuraciones de capa cerrada. En estas condiciones, los iones con cargas +n1 y - n2 experimentan atracción mutua. La fuerza de repulsión se manifiesta cuando las configuraciones electrónicas de capa cerrada iónica comienzan a traslaparse.

En el contexto de la mecánica cuántica, los electrones de valencia pertenecientes originalmente a los átomos neutros se comparten entre los dos átomos que constituyen la molécula. Los electrones se comparten de tal manera que la densidad de probabilidad de los electrones en un volumen pequeño, en un punto del espacio y en un momento dado, es mayor en torno al átomo electronegativo y, por tanto, este átomo adquiere la carga negativa (como en la figura 3). Esta es la base de una propiedad cualitativa que lo químicos denominan electronegatividad. Para que la energía de atracción sea máxima y la energía de repulsión sea mínima, los vecinos inmediatos de un ion positivo (catión) deben ser iones negativos (aniones), y viceversa. Existe cierta libertad en cuanto al empaquetamiento de los iones unos alrededor de otros; por consiguiente, el enlace iónico carece de direccionalidad. No obstante, es necesario equilibrar las cargas positivas y negativas, tanto en términos locales y macroscópicos; en consecuencia, los electrones se localizan en el átomo electronegativo. Puesto que los electrones están localizados, la conductividad de los materiales iónicos es relativamente mala. Para que exista conductividad, los iones deben moverse con el campo eléctrico; pero, debido a que son pesados, se mueven con gran lentitud y son, por lo tanto, malos conductores térmicos y eléctricos a temperaturas bajas. La energía de enlace como consecuencia de la formación de enlaces iónicos es relativamente grande y, por ende, cabría esperar que los materiales fueran de alto punto de fusión. Los cerámicos son ejemplos de materiales con enlaces iónicos y se utilizan con gran eficacia para soportar ambientes de alta temperatura y como aisladores y dieléctricos, pero son muy frágiles a causa de la naturaleza localizada del enlace.

Fig. 3. Enlace iónico entre los átomos de cloro y sodio. La trasferencia de electrones de Na hasta Cl genera un catión (Na+) y una anión (Cl-). El enlace iónico se debe a la atracción coulómbica entre los iones de carga opuesta.

Enlace covalente

El enlace iónico no es direccional. En oposición al el enlace covalente que es una naturaleza altamente direccional. El nombre “covalente” se deriva de la distribución compartida, cooperativa, de electrones de valencia entre dos átomos adyacentes. Una particularidad importante de estos enlaces es que se pueden formar entre átomos del mismo tipo, entre los cuales puede haber muy poca o ninguna formación de enlaces iónicos, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica, generalmente se comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que alcanza la configuración electrónica de gas noble. En un enlace covalente sencillo, cada uno de los dos átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones del enlace, y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas estables) como consecuencia de la interacción de los electrones. En el enlace covalente, se pueden formar múltiples pares de electrones por un átomo consigo mismo o con otros átomos. En los enlaces covalentes puros los electrones de un átomo comparten los estados cuánticos disponibles y son compartidos entre los núcleos para formar una configuración de capa cerrada.

El ejemplo clásico de enlace covalente es, desde luego, la molécula de hidrogeno. Recordemos que cada átomo de hidrógeno tiene un estado energético vacío disponible en el estado cuántico 1s1. Los dos electrones (con espines opuestos) de los átomos de hidrógeno de la molécula H2 ocupan el estado cuántico 1s para dar la configuración de capa cerrada 1s2, que es la configuración de átomo de helio. Cada uno de los átomos de hidrógeno comparte esta configuración, y se dice han formado enlaces por saturación entre los dos átomos. Como tal, la energía de enlace entre los átomos de hidrógeno es muy grande, pero no hay mas enlaces fuertes disponibles para otras moléculas de H2, como se ilustra en la figura 4.

Fig. 4. El enlace covalente entre dos átomos de H agota el estado cuántico disponible y produce un enlazamiento saturado y un enlace intramolecular muy fuerte, pero una atracción intermolecular muy débil entre dos moléculas.

Enlace Metálico

Un tercer tipo de enlace atómico es el enlace metálico, que se presenta en los metales sólidos. En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos es una ordenación sistemática o estructura cristalina.

El enlace metálico es consecuencia de la facilidad de disociación de los metales en iones positivos y electrones libres. Hay muchos estados cuánticos disponibles en los metales, todos los cuales no pueden ser ocupados por electrones cuando los átomos se acercan unos a otros. Por consiguiente, los metales tienen enlazamiento no saturado y se componen de un gran número de átomos (una macromolécula). Los electrones liberados se desplazan con facilidad de los orbítales de un átomo a los del otro y ya no esta confinados a un par de átomos; elementalmente, son como un “fluido”. Es por esto que, por lo común, se representa a los metales como un gran agregado de centros iónicos positivos inmersos en una “nube” o “mar” de electrones como en la figura 5. Esta es la clásica y simple “teoría de los electrones libres de los metales”, para distinguir los metales de los no metales, explica las conductividades eléctricas y térmicas extraordinariamente buenas de los metales, también explica la opacidad óptica y la reflectividad. La oscilación de los electrones libre absorbe la energía de la luz incidente en todas las longitudes de onda, y por tanto, hace que el metal sea opaco. Por otra parte, los electrones oscilantes también emiten ondas luminosas (fotones) y confieren reflectividad al metal.

El enlazamiento insaturado en los metales también explica el empaque compacto de sus átomos, sus propiedades de formación de aleaciones y las propiedades mecánicas sobresalientes de tenacidad y ductilidad con suficiente resistencia mecánica.

Puesto que los electrones no esta confinados como ya se menciono al principio, es posible separar los centros iónicos positivos unos de otros cierta distancia, lo que confiere a los metales buena ductilidad, antes que los enlaces con los electrones se rompan. Esto contrata con la fragilidad de los materiales con enlaces iónicos o covalentes, donde es necesario romper enlaces para separar los núcleos que comparten la unión. La propiedad de ductilidad permite deformar los metales fácilmente para darles diversas formas. Si a esto aunamos esto a una resistencia y tenacidad suficientes, no es de sorprender que los metales sean los materiales dominantes en las aplicaciones de ingeniería.

Fig. 5. El enlace metálico se compone de centros iónicos positivos inmersos en un mar o nube de electrones.

Enlace secundario o de van der Waals.

La principal causa de cohesión dentro de determinado material técnico es uno o varios de los tres enlazamientos que se describieron anteriormente. El enlace van der Waals es una fuerza débil de atracción que puede existir entre los átomos y las moléculas. A este enlace se debe la condensación de los gases nobles y de las moléculas con enlaces químicamente para formar líquidos y sólidos a temperaturas bajas. El mecanismo de enlazamiento secundario es algo semejante al iónico, esto es, por atracción de cargas opuestas. La diferencia clave es que no se transfieren electrones. La atracción depende de las distribuciones asimétricas de carga positiva y negativa dentro de cada unidad atómica o molecular que se enlaza. Esta asimetría de carga se llama dipolo. El enlazamiento secundario puede ser de dos tipos, según los dipolos sean:

1.- Temporales

2.- Permanentes

La figura 6 muestra como dos átomos neutros pueden desarrollar una fuerza débil de enlazamiento entre ellos, a causa de una ligera distorsión de sus distribuciones de carga.

Fig. 6. Desarrollo de dipolos inducidos en átomos adyacentes de argon llevando a un enlace secundario débil. El grado de distorsión de carga, que se muestra, se exagera en gran medida.

El momento de un dipolo eléctrico se crea cuando dos cargas iguales y opuestas se separan. Los dipolos en los átomos o en las moléculas crean momentos dipolares. Un momento dipolar se define como el valor de la carga multiplicado por la distancia de separación entre cargas positiva o negativa, o

µ = qd

donde µ = momento dipolar

q = magnitud de la carga eléctrica

d = distancia de separación entre los centros de las cargas

Los momentos dipolares en átomos y moléculas se miden en Culombio - metro (C · m) o en debyes, donde un debyes = 3.34 · 10-10 C · m.

Las moléculas compuestas de dos o más átomos diferentes, se pueden crear dipolos permanentes entre los átomos en virtud de sus diferencias de electronegatividad. El átomo mas electronegativo atrae el electrón hacia si y lo aleja del elemento menos electronegativo; se forma una molécula polar con dipolo permanente, en la que el segundo átomo tiene carga positiva y el primero, carga negativa. Un buen ejemplo de esto son los puentes de hidrógeno que unen a las moléculas polares de agua y mantienen esta sustancia en forma liquida a temperatura ambiente. Los dipolos se componen de los átomos de O con carga negativa y a los átomos de H con carga positiva. El puente de hidrógeno es el enlace entre los átomos de hidrógeno de una molécula de agua y átomos de oxigeno negativos de otras moléculas de agua como se muestra en la figura 7.

Los puentes de hidrógeno son también el mecanismo mediante el cual las cadenas macromoleculares de los polímeros se mantienen unidas. La baja resistencia a la cedencia y los reducidos módulos de los polímeros (plásticos) se explican en virtud de los débiles puentes de hidrógeno y enlaces de van der Waals que se rompen con facilidad cuando se someten los polímeros a esfuerzos.

Fig. 7. Enlaces intermoleculares de van der Waals entre a) cadenas poliméricas b) moléculas de agua

Enlaces Mixtos

El enlace químico de átomos o iones puede involucrar más de un tipo de enlace primario y también enlaces dipolares secundarios. Para el enlace primario existen las siguientes combinaciones de tipos de enlace mixto:

• Iónico - covalente

• Metálico - covalente

• Metálico - iónico

• Iónico - covalente - metálico

1.- Enlace mixto iónico - covalente: La mayoría de las moléculas con enlaces covalentes poseen algo de enlace iónico y viceversa. El carácter iónico parcial de los enlaces covalentes se pude interpretar en términos de la escala de electronegatividades. Cuanto mayor es la diferencia en las electronegatividades de los elementos involucrados en un enlace iónico - covalente, mayor es el grado de carácter iónico del enlace. El grado de carácter iónico en el enlace crece a medida que lo hace la diferencia de electronegatividades entre los átomos del compuesto.

2.- Enlace mixto metálico - covalente: Se presenta frecuentemente, por ejemplo, los metales de transición tienen enlace metálico - covalente mixto que involucra orbítales enlazantes dsp. Los altos puntos de fusión de los metales de transición son atribuidos al enlace mixto metálico - covalente. También en el grupo 4A de la tabla periódica hay una transición gradual desde el enlace covalente puro en el carbono (diamante) a algún carácter metálico en el silicio y germanio para terminar, en estaño y plomo, con un enlace primordialmente metálico.

3.- Enlace mixto metálico - iónico: si se da una diferencia significativa de electronegatividad en los elementos que forman parte del enlace intermetalico, puede ser que exista una cantidad significativa de transferencia electrónica (enlace iónico) en el compuesto. Así pues, algunos compuestos intermetalicos son buenos de enlace mixto metálico - iónico.

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES DE INGENIERIA

Historia de los materiales y su clasificación

Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto .Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Como los productos están fabricados a base de materiales, estos se encuentran en cualquier parte alrededor nuestro. Los mas comúnmente encontrados son madera, hormigón, ladrillo, acero, plástico, vidrio, caucho, aluminio, cobre y papel. Existen muchos mas tipos de materiales y uno solo tiene que mirar a su alrededor para darse cuenta de ello. Debido al progreso de los programas de investigación y desarrollo, se están creando continuamente nuevos materiales. La producción de nuevos materiales y el procesado de estos hasta convertirlos en productos acabados, constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos facturados y los procesos necesarios para su fabricación. Puesto que la producción necesita materiales, los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedad de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el mas adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de procesado.

Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes. Los ingenieros de diseño usan los materiales ya existentes, los modificados o los nuevos para diseñar o crear nuevos productos y sistemas . Algunas veces el problema surge de modo inverso: los ingenieros de diseño tienen dificultades en un diseño y requieren que sea creado un nuevo material por parte de los científicos investigadores e ingenieros. La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente. Por ejemplo los ingenieros mecánicos buscan materiales para altas temperaturas, de modo que los motores de reacción puedan funcionar más eficientemente. Los ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan operar a mayores velocidades y temperaturas.

Fig. 8. Este diagrama muestra como la ciencia e ingeniería en materiales forma un puente que une las ciencias básicas con las disciplinas de la ingeniería.

La estructura de los materiales

El termino estructura significa una descripción del arreglo atómico, vistos con distintos grados de detalle. Los científicos y los ingenieros en materiales no solo tienen que ver con el desarrollo de materiales, sino también con la síntesis y el procesamiento de materiales con los procesos de fabricación correspondientes a la producción de los componentes. El termino síntesis indica la manera de fabricar los materiales a partir de elementos naturales o hechos por el hombre. El termino procesamiento indica el modo en que se conforman los materiales en componentes útiles y para causar cambios en las propiedades de distintos materiales. Una de las funciones más importantes de los científicos e ingenieros en materiales es establecer las relaciones entre la propiedad y el funcionamiento de un material. En la ciencia de los materiales se subrayan las relaciones subyacentes entre la síntesis y el procesamiento, la estructura y las propiedades de los materiales.

La estructura de los materiales se puede examinar en cinco niveles diferentes:

Macroestructura.- entre las propiedades que la constituyen esta la porosidad, recubrimientos superficiales y las microgrietas internas o externas.

Microestructura.- comprende propiedades de tamaños micro y otras propiedades relacionadas con los defectos de los materiales

Nanoestructura

Estructura atomica.- enlaces.

Tipos de materiales

Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en grupos principales: materiales metálicos, poliméricos, cerámicos. Se diferencian de acuerdo a algunas de sus propiedades mecánicas, eléctricas y físicas más importantes. Además de estos grupos, debemos considerar dos tipos más, materiales compuestos y semiconductores, debido a su gran importancia en ingeniería.

Los materiales de cada uno de estos grupos poseen distintas estructuras y propiedades. Los materiales tienen un amplio margen de propiedades de donde pueden seleccionar los ingenieros. Como los materiales metálicos se unas mucho en aplicaciones de carga dinámica, sus propiedades mecánicas son de gran interés practico. Aquí hay una descripción en forma breve. El termino esfuerzo indica una carga o una fuerza por unidad de área. Deformación se refiere al alargamiento o a un cambio de dimensión. Todos estos conceptos y algunos más se describirán en seguida

Propiedades Mecánicas y físicas de los materiales

• Densidad

La densidad es una de las propiedades más importantes de los materiales porque determina el peso de la estructura o componente. Básicamente, la densidad de un sólido depende de tres factores: la masa atómica media de sus átomos o iones, su tamaño atómico o iónico y su estructura cristalina (la manera en como están empaquetados). La diversidad de densidades de los materiales surge principalmente de la masa atómica y de la fracción volumétrica de empaquetamiento. Los metales son densos porque se componen de átomos pesados y su empaquetamiento es más o menos compacto. Los polímeros tienen baja densidad porque consiste de átomos ligeros, principalmente carbono e hidrógeno, en una red lineal bi o tridimensional, empaquetados de manera laxa. Los cerámicos son de baja densidad porque contienen átomos de C, O ó N, y también tienen fracciones de empaquetamiento mas pequeñas que las de los metales.

• Punto de fusión

La energía de enlace de los átomos es directamente proporcional al punto de fusión del material. Esta propiedad se convierte en un factor cuando se contempla el uso de materiales en ambientes de alta temperatura, como los que se dan en los motores de combustión. Sin embargo, una temperatura alta para un material puede ser relativamente baja para otro material en virtud de diferencias en los puntos de fusión. En general, todas las propiedades varían con la temperatura. Si un material esta sometido a esfuerzos, la propiedad principal de interés es la termofluencia, que es el cambio lento de las dimensiones de dimensiones de un material que soporta una carga cuando la razón antes citada es mayor que la temperatura ambiente. Por consiguiente, uno de los factores que deben tomarse en cuenta en el diseño es el punto de fusión de los materiales, en especial para aplicaciones a altas temperaturas. Un ejemplo de esta propiedad son los cerámicos que debido a sus altos puntos de fusión se utilizan para motores de combustión, tanto para vehículos terrestres (automóviles) como en vehículos espaciales.

• Temperatura de transición vítrea

La temperatura de transición vítrea es una propiedad de los materiales no cristalinos o amorfos. El término de temperatura de transición vítrea tuvo su origen en los materiales cerámicos, específicamente en la sílice, donde el silicato amorfo recibe el nombre de vidrio. Este nombre se hizo extensivo primero a los polímeros, y ahora a los metales amorfos. Las temperaturas de transición vítrea de los polímeros son relativamente bajas, de tal manera que, incluso a temperatura ambiente, el diseño con plásticos o polímeros implica efectos de termofluencia de largo plazo.

• Coeficiente de expansión térmica lineal

El coeficiente de expansión térmica lineal (CETL), al igual que el punto de fusión, también puede relacionarse cualitativamente con la energía de enlace. En el diseño, los ingenieros civiles toman en cuanta el CETL incorporando juntas de expansión en estructuras tales como puentes. En los materiales compuestos es necesario armonizar con gran precisión los CETL, a fin de reducir el riesgo de deslaminacion en las superficies de contacto entre los componentes debido a los esfuerzos térmicos inducidos por los ciclos térmicos. Esto reviste una importancia especial en la industria de semiconductores.

• Conductividad térmica

En la conducción de calor, la conductividad térmica es la propiedad análoga a la conductividad eléctrica. Cuando se impone un gradiente de temperatura a un material el flujo especifico de calor por unidad de área y por unidad de tiempo es donde la conductividad térmica esta en watts por metro por kelvin, es decir W(mK)-1. En las cerámicas y en los polímeros la conducción térmica está a cargo de los fotones o vibraciones reticulares, la rapidez elástica de las ondas, la densidad y el calor especifico volumétrico. Este fenómeno se presenta en monocristales de diamante, carburo de silicio e incluso alúmina, estos tienen conductividades térmicas tan elevadas como el cobre. En cambio la baja conductividad térmica del vidrio se debe a su estructura amorfa irregular.

Los mejores aisladores térmicos son materiales muy porosos como los ladrillos refractarios, el corcho y las espumas. Su conductividad esta limitada por la fase gaseosa en el interior de sus celdas y por la transferencia de calor por radiación a través de las paredes transparentes de las celdas. El sistema de protección térmica (SPT) del trasbordador espacial de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) de Estados Unidos es de sílice porosa.

• Esfuerzo

En la figura 9, si una fuerza F%, aplicada en dirección normal a la seccion transversal de una barra, se divide entre la sección transversal A (área), se obtiene un termino normalizado que se llama esfuerzo (); por tanto,

 " F% / A

Esto da a la intensidad de la fuerza que el material experimenta, como se ilustra en las figuras 9a) y 9b), donde se aplica la misma fuerza normal a dos materiales con secciones transversales A1 y A2, con A2 > A1. Aunque la fuerza es la misma, la intensidad (esfuerzo) de la fuerza en A1 es mayor que en A2. Cuando el esfuerzo alarga los filamentos de un material, se le denomina esfuerzo de tensión. Cuando el esfuerzo oprime los filamentos de un material para acortarlos como en la figura 9b), se le llama esfuerzo de compresión. Por convención, el esfuerzo de tensión se toma como positivo, en tanto que el esfuerzo de compresión es negativo. Ambos esfuerzos se describen como esfuerzos normales porque las fuerzas actúan en dirección perpendicular al área.

Existe otro tipo de esfuerzo que se produce cuando la fuerza actúa en dirección paralela a la superficie o área. Esto se conoce como esfuerzo cortante, , y se muestra en la figura 10.

En general, el esfuerzo sobre un cuerpo no es normal ni paralelo a la superficie. En este caso, la fuerza que ejerce sobre un cuerpo se resuelve en fuerzas normal (perpendicular) y paralela a la superficie para obtener los esfuerzos normal y cortante como se ilustra en la figura 11.

Un ejemplo de esto son los elementos superficiales de un reactor químico o de una tubería que transporta fluidos a presión.

• Deformación

De acuerdo con el estado de esfuerzo, el material se deforma (cambia de forma) en consecuencia. Un esfuerzo de tensión induce al material a alargarse en dirección paralela, y a contraerse lateralmente a lo largo de una dirección perpendicular a la misma fuerza. También en este caso, la elongación y la contracción se normalizan dividiéndolas entre las dimensiones originales paralela (longitud) y perpendicular (anchura) a la fuerza de tensión. Las cantidades normalizadas se conocen como deformaciones, y la deformación paralela a la fuerza se denomina deformación longitudinal o por tensión, en tanto que la deformación perpendicular recibe el nombre de deformación lateral. La mayoría de los diseños de ingeniería se basan en esta relación lineal entre el esfuerzo y la deformación.

• Ductilidad

La ductilidad es la propiedad de un material que permite impartirle diferentes formas sin que se rompa. Un material que puede hacer esto, se dice que es dúctil, en tanto que un material que no cambia de forma o lo hace con dificultad o se rompe es frágil o quebradizo. Por lo que toca a consideraciones de diseño, la ductilidad influye directamente en la tenacidad a la fractura y en la capacidad de fabricar un componente: un material dúctil tiene mayor tenacidad a la fractura que un material frágil. Por otra parte, la selección de un material para aplicaciones de ingeniería depende de modo importante de su capacidad para recibir la forma del componente o producto deseado. Esto explica la importancia y el uso en ingeniería de los metales en comparación con los cerámicos, porque los metales se comportan mejor en la producción en masa que las cerámicas.

• Mecánica de fractura y tenacidad a la fractura

La mecánica de fractura es el campo de la mecanica que se ocupa principalmente de estudio de la propagación de grietas de un material. Se trata de un campo relativamente nuevo pues apenas se creo durante y después de la segunda guerra mundial para explicar la ruptura de muchas naves mercantes y barcos. La aplicación de la mecánica de fractura se a expandido ahora a muchos campos, y donde resulta mas critica es en las estructuras aeroespaciales. La permisa fundamental para el uso de la mecánica de fractura en el diseño es el supuesto de que los materiales tienen defectos o grietas. La propiedad de los materiales que se opone a la propagación de esas grietas es la tenacidad a la fractura.

La propiedad de tenacidad a la fractura es análoga a la propiedad a la cedencia. En el ensayo de tensión, el material soporta un esfuerzo aplicado excede el esfuerzo de fluencia. Si se utiliza el esfuerzo de fluencia como criterio de falla, el material falla una vez que el nivel de esfuerzo sobrepasa el esfuerzo de fluencia del material. En presencia de una grieta en el material, el esfuerzo global aplicado en dirección opuesta a la grieta se intensifica o incrementa en el extremo de la grieta

• Fatiga

Los componentes de maquinas, vehículos y estructuras suelen verse sometidos a cargas cíclicas repetidas, y los esfuerzos cíclicos reducen daños a los materiales de construcción. Estos daños, que se producen sobre todo a esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de fluencia, se acumulan con la aplicación continua hasta que se comienzan a formar grietas que se propagan y terminan por fracturar el material. Esta falla de los materiales es a causa de esfuerzos y deformaciones cíclicas repetidas se denomina fatiga. Debido a que los esfuerzos y deformaciones cíclicas se aplican de manera continua y a ritmos elevados.

• Termofluencia

En ciertas aplicaciones, como turbinas de vapor en plantas termoeléctricas, motores de aviones a reacción y cohetes, hornos de fundición y reactores nucleares, los materiales esta expuestos a temperaturas extremadamente altas. La termofluencia es el movimiento de los átomos que inducen una deformación muy lenta, si el material esta expuesto a esfuerzos. Esta deformación termina por causar problemas dimencionales a la estructura o componente, los cuales provocan mal funcionamiento o falla. Si permanece sometido a esfuerzos, a temperaturas altas, el material se romperá y fracturara finalmente.

Comportamiento eléctrico y conductividad

Las propiedades eléctricas de un material describen su comportamiento eléctrico que en muchas ocasiones es más crítico que su comportamiento mecánico- y describen también su comportamiento dieléctrico, que es propio de los materiales que impiden el flujo de corriente eléctrica y no solo aquellos que proporcionan aislamiento. Los electrones son aquellos que portan la carga eléctrica (por deficiencia o exceso de los mismos) e intervienen en todo tipo de material sea este conductor, semiconductor o aislante. En los compuestos iónicos, sin embargo, son los iones quienes transportan la mayor parte de la carga. Adicional a esto la facilidad de los portadores (electrones o iones) depende de los enlaces atómicos, las dislocaciones a nivel cristalino, es decir, de su micro-estructura, y de las velocidades de difusión (compuestos iónicos). Para esto es necesario antes especificar que el comportamiento eléctrico de cualquier material, el cual se deriva a partir de propiedades como la conductividad eléctrica. Por eso la conductividad eléctrica abarca un gran rango dependiente del tipo de material. Los electrones son precisamente los portadores de la carga en los materiales conductores (como los metales), semiconductores y muchos aislantes.

Clasificación de los materiales

Materiales metálicos.

Incluyen aceros, aluminio, magnesio, zinc, hierro colado, titanio, cobre y níquel. En general los metales, tienen buena conductividad eléctrica y térmica. Los metales y aleaciones tienen una resistencia relativamente alta, gran rigidez ductilidad o formabilidad y buena resistencia a los choques térmicos. Tienen utilidad especial en aplicaciones estructurales o bajo cargas dinámicas. Aunque a veces se utilizan metales puros, las mezclas de metales llamadas aleaciones permiten mejorar determinadas propiedades o mejores combinación de propiedades. El corte del pistón ilustra el uso de materiales metálicos (figura 12).

Polímeros

La materia esta formada por moléculas que pueden ser de tamaño normal o moléculas gigantes llamadas polímeros.

Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Algunas parecen fideos, otras tienen ramificaciones. Algunas más se asemejan a las escaleras de mano y otras son como redes tridimensionales.

Existen polímeros naturales de gran significación comercial como el algodón, formado por fibras de celulosas. La celulosa se encuentra en la madera y en los tallos de muchas plantas, y se emplean para hacer telas y papel. La seda es otro polímero natural muy apreciado y es una poliamida semejante al nylon. La lana, proteína del pelo de las ovejas, es otro ejemplo. El hule de los árboles de hevea y de los arbustos de Guayule, son también polímeros naturales importantes.

Sin embargo, la mayor parte de los polímeros que usamos en nuestra vida diaria son materiales sintéticos con propiedades y aplicaciones variadas. Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden clasificarse de varias formas. Una manera de clasificar a los polímeros es establecer si se trata de un polímero lineal o de polímero ramificado (figura 13)

Fig. 13. Esquema que muestra polímeros lineales y ramificados

Materiales cerámicos

Estos se han utilizado durante millones de años. La mayoría de los materiales cerámicos presentan buena resistencia a la compresión; sin embargo, no exhiben virtualmente nada de ductilidad a la tensión. La familia de los materiales cerámicos incluye materiales inorgánicos policristalinos y de un solo cristal, vidrios inorgánicos amorfos y vitroceramicos.

Existen muchas maneras distintas de clasificar a los materiales cerámicos. Una de ellas es definirlos en la base de sus compuestos químicos o según su función principal.

Los materiales cerámicos se utilizan en una amplia gama de tecnologías como refractarios, bujías, dieléctricos en capacitares, sensores, abrasivos, medios de grabación magnética, etc. Los materiales cerámicos también pueden aparecer en la naturaleza en forma de óxidos o como materiales naturales. Los materiales cerámicos se utilizan también como recubrimientos. Los vidriados son recubrimientos cerámicos aplicados a objetos de vidrio; los esmaltes son recubrimientos aplicados a objetos metálicos. La alumina y el silicio son los materiales cerámicos mas utilizados y existen números aplicaciones de estos.

Materiales compuestos

Los materiales compuestos se forman cuando dos o mas materiales o fases se utilizan juntas para dar una combinación de propiedades que no se pueden lograr de otra manera. Los materiales compuestos se pueden seleccionar para obtener combinaciones no usuales de rigidez, peso, desempeño a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. Los materiales compuestos ponen de manifiesto la forma en que materiales distintos pueden trabajar sinergicamente. La concha de abalone, la madera, el hueso y los dientes son ejemplos de materiales compuestos de origen natural. Los materiales compuestos incluyen materiales como los plásticos reforzados con carbono o con fibra de vidrio. Estos ofrecen ventajas significativas en resistencias específicas y su uso creciente en aviones, componentes electrónicos, automotores y artículos deportivos.

• Producción de un material compuesto: Se utiliza una diversidad de métodos para producción de piezas de material compuesto, dependiendo de la aplicación y de los materiales. Los materiales compuestos reforzados con fibras cortas se elaboran normalmente mezclando las fibras en una matriz liquida o plástica, y utilizando técnicas relativamente convencionales, como seria el moldeo por inyección para materiales compuestos en base polimérica o por vaciado, en el caos de materiales compuestos con matriz metálica, sin embargo, se han diseñado técnicas especiales para la producción de materiales compuestos utilizando fibras continuas, ya sea de una forma alineada unidireccional en estera o en tejido (figura 14). En técnicas de elaboración manual, las cintas esferas o tejidos se extiende sobre una forma, saturada con resina polimérica, y se presionan para asegurar un buen contacto y una completa eliminación de la porosidad. De esta manera se pueden fabricar carrocerías de automóviles y camiones de fibra de vidrio.

Las cintas o telas también se pueden colocar en un dado y pueden formarse mediante el moldeo por bolsa. Se introducen gases a alta presión o se provoca un vacío, para obligar que las capas individuales se junten de tal manera que duran te el curado se obtenga una buena unión. En el moldeo con dados macho y hembra, se colocan fibras cortas o esteras en un dado hecho en dos piezas, al cerrarse se obtiene la forma deseada.

Semiconductores

Es evidente que la tecnología a revolucionado a la sociedad, pero la electrónica del estado sólido esta revolucionando a la misma tecnología. Un grupo relativamente pequeño de elementos y compuestos tienen una propiedad eléctrica importante, la semiconduccion, que, en la cual ni son buenos conductores eléctricos, ni son buenos aisladores eléctricos. En vez de ello, su capacidad de conducción eléctrica es intermedia.

Podemos clasificarlos en

• Semiconductor intrínseco

• Semiconductor extrínseco

Todos chips de cómputo dependen de los semiconductores. Fabricamos diodos, transistores y láser utilizando semiconductores.

BIBLIOGRAFIA

© Ciencia de materiales: selección y diseño

Pat L. Mangonon

Prentice Hall

Primera Edición.

© Ciencia de Materiales para ingenieros

James F. Shackelford

Prentice Hall

Tercera Edición.

© Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales

William F. Smith

McGraw Hill

Segunda Edición.

© Ciencia e ingeniería de los materiales

Donald R. Askeland

Pradeep P. Phulé

Thomson

Cuarta Edición

© http://www.monografias.com/historia/index.shtml.

© http://www.textoscientificos.com

© http://fullelectronica.com.ar/negocio/imagenes/ceramicos%20plate.jpg

En honor a Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806), físico francés, primero en demostrar experimentalmente la naturaleza de las ecuaciones de atracción electroestática (para grandes esferas, no para iones). Además de sus importantes aportaciones a la comprensión de la electricidad, Coulomb fue precursor importante en el campo de la mecánica aplicada, en especial los campos de fricción y torsión.

Se le denomina electronegatividad a la tendencia que tiene un atomo que forma parte de un enlace a atraer hacia si los electrones compartidos.

Los electrones de valencia son los orbítales electrónicos externos, que intervienen en el enlazamiento.

Propuesta por Drude y Lorente en el periodo comprendido entre 1900 y 1916.

Johannes Diderik van der Walls (1837 - 1923), físico holandés, mejoro las ecuaciones de estado de los gases, considerando el efecto de las fuerzas de enlazamiento secundario. Sus brillantes investigaciones se publicaron por primera vez como disertación de tesis a partir de sus estudios de física, en tiempo libre. El reconocimiento inmediato de su trabajo ocasionó su cambio de actividad; de directivo de una escuela secundaria a profesor de la universidad de Ámsterdam.

A veces, a los enlaces primarios se les llama enlaces químicos, y a los secundarios enlaces físicos.

Fuerza perpendicular (fuerza normales)

20

+

N1

+

N2

Enlace iónico

Na

Cl

Na+

Cl -

Transferencia de electrones

+

+

+

+

+

+

+

+

Atracción

Intermolecular

Muy débil

Molécula de hidrogeno

Molécula de hidrogeno

e

e

Átomo de argón (Ar) aislado

Átomo de Ar aislado

Centro de carga positiva (núcleo)

Centro de carga negativa (electrón)

Enlace secundario

Magnitud del momento dipolar

e

La máxima densidad de probabilidad de dos electrones de dos electrones entre átomos forma un enlace covalente intramolecular muy fuerte

H

H

H

H

e

Puente de hidrogeno (van der Waalls

C

H

Enlace covalente

Cadenas poliméricas

a)

H

H

O

H

O

H

O

H

H

Puente de Hidrógeno

Enlace covalente

b)

Ciencias

Básicas

Física, Química,

Matemática

Ciencia e Ingeniería

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Metalurgia,

Cerámica

Ciencias

de la Vida

Ciencias Aplicadas

Eléctrica,

Nuclear,

Aeroespacial

Mecánica,

Química, Civil

Minería,

Geología

Medicina

Ingeniería

F%

F%

F%

F%

A1

A2

De compresión ( - )

De tensión ( + )

a)

b)

F% > F%

A1 A2

Esfuerzo normal

A

F%

F%

 = F% / A

Fig. 10. Definición de esfuerzo cortante

a)

Fig. 12. Corte de un pistón (uso de los materiales metálicos).

F

Fig. 9. Definición de los esfuerzos normales.

Fig. 11. La fuerza aplicada a la superficie A se resuelve en sus componentes normal y paralela a A para obtener los esfuerzos

F%

F%

b)

c)

d)

Aire

Hule

Dado

Dado

dado

Dado

Rodillo

a)

b)

c)

Fig. 14. Producción de formas de materiales compuestos en dados a) a mano, b) mediante moldeo a presión y c) mediante moldeo con dados macho y hembra

Fig. 14. Cerámicos avanzados

Fig. 16. Semiconductores: Usados en electrónica, en especial en microelectrónica.