Estructura, arreglos y movimiento de los átomos, Resúmenes de Máquinas Térmicas

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CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES

Unidad 1: “Estructura, arreglos y movimiento de los átomos” Alexis Antonio Mijares Reyna M- Docente: Juan Alberto López vejar

1.1 Importancia y clasificación de los materiales

en ingeniería.

Prácticamente cada segmento de nuestra vida cotidiana está influido en mayor o menor grado por los materiales, como por ejemplo el transporte, la vivienda, la vestimenta, la comunicación, la recreación y la alimentación. Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad; se trata de los metales, plásticos, vidrios y fibras. El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la confortabilidad de nuestra existencia, va asociado a la disponibilidad de materiales adecuados. El avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del progreso de una tecnología. El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la confortabilidad de nuestra existencia, va asociado a la disponibilidad de materiales adecuados. El avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del progreso de una tecnología. Por ejemplo, la fabricación de automóviles fue posible por la aparición de un acero idóneo y barato o de algún sustituto comparable. Actualmente los adelantos electrónicos más sofisticados se basan en componentes denominados materiales semiconductores. En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos que cumplen las siguientes propiedades: Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente Los materiales se clasifican según su uso en cuatro grupos: metales, cerámicos, polímeros y materiales compuestos. Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una intercala.

C) Polímeros: El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos, se producen creando estructuras moleculares a partir del petróleo en un proceso llamado polimerización. Los polímeros tienen baja conductividad térmica y eléctrica, poca resistencia mecánica y a altas temperaturas. D) Materiales Compuestos: Están construidos por dos o más materiales que generan propiedades que uno solo no puede dar, como el concreto, el triplay y la fibra de vidrio. Ejemplo: *Grafito en matriz epoxica. - Se aplica en componentes aeronáuticos por su propiedad adecuada resistencia-peso. E) Materiales compuestos estructurales. Panel sándwich con núcleo en forma de panal. Están formados tanto por compusiste como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sándwich. ALEACIONES FERROSAS. Las aleaciones ferrosas se pueden clasificar a su vez en: Aceros y fundiciones de hierro (hierros colados). Los aceros dependiendo de su contenido de carbono y de otros elementos de aleación se clasifican en: -Aceros simples

• Aceros aleados
• Aceros alta aleación Los aceros simples se pueden definir así.
• Aleación hierro con carbono con un contenido de éste último en el rango de 0.02 hasta el 2% con pequeñas cantidades de otros elementos que se consideran como impurezas tales como P, S, Mn, Cu, Si, etc. Los aceros simples se clasifican de acuerdo a su contenido de carbono en:

• Aceros de bajo carbono
• Aceros de medio carbono y
• Aceros de alto carbono Cada uno de los grupos anteriores tienen características bien definidas como se muestra a continuación: Aceros de bajo carbono (0.02<%C<0.3)
• Son dúctiles –Soldables
• No se pueden tratar térmicamente
• Poseen una resistencia mecánica moderada
• Maquinables
• Baratos Aceros de medio carbono (0.3<%C<0.65)
• Son templables (Se pueden someter a temple y revenido)
• Poseen buena resistencia mecánica
• Ductilidad moderada
• Baratos Aceros de alto carbono (%C>0.8)
• Son templables
• Duros y resistentes al desgaste
• Difíciles de soldar -Poco tenaces
• Baratos Entre las principales aplicaciones de los aceros simples se pueden mencionar a las siguientes:
• Estructuras
• Elementos de máquinas (Ejes, resortes, engranes, etc)

Los aceros de alta aleación se clasifican en dos grandes grupos, a saber:

• Aceros Inoxidables
• Aceros para herramientas LOS ACEROS INOXIDABLES Son básicamente aleaciones Fe-Cr ó Fe-Cr- Ni con un contenido de al menos 10 % de cromo y el menor contenido posible de carbono y que poseen una buena resistencia a la corrosión y a la oxidación conferida por una capa de óxido de cromo que se forma sobre su superficie y que origina la pasivación de ésta. Los aceros inoxidables se clasifican de acuerdo a la microestructura que se obtener en ellos, tal y como se muestra enseguida:
• Aceros inoxidables martensíticos
• Aceros inoxidables ferriticos y
• Aceros inoxidables austeníticos A continuación, se mencionan las principales características de cada una de las familias de aceros antes mencionadas: Aceros Inoxidables Martensíticos

• Poseen un contenido de cromo entre el 12 y 14 %.
• El contenido de carbono no excede de 0.4 %.
• Son magnéticos- Son tratables térmicamente (Temple y revenido).
• Poseen regular resistencia a la corrosión y a la oxidación.
• Son los más económicos dentro de los aceros inoxidables
• Según AISI-NOM se identifican mediante un 4 seguido de dos dígitos. Aceros Inoxidables Ferriticos.
• Poseen un contenido de cromo entre el 15 y 25 %.
• El contenido de carbono no debe exceder de 0.1 %.
• Poseen buena resistencia a la corrosión y a la oxidación
• No son tratables térmicamente
• Endurecibles mediante trabajo en frío
• Son magnéticos.
• Según AISI-NOM se identifican mediante un 4 seguido de 2 dígitos Aceros inoxidables Austeníticos
• Poseen entre el 15 y 25 % de cromo
• También contienen níquel en un rango de 7 al 15 %.
• Y el contenido de carbono no debe exceder de 0.08 %
• Son no magnéticos - No son tratables térmicamente
• Son endurecibles mediante trabajo en frío
• Son caros
• Se identifican mediante un 3 seguido de 2 dígitos, y los que contienen manganeso mediante un 2 seguido de 2 dígitos. Las principales aplicaciones de los aceros inoxidables son:

Al término de la Segunda Guerra Mundial, en los Estados Unidos de Norteamérica, AISI se encargó de clasificar e identificar los aceros para herramienta tal y como se muestra a continuación: Aceros para trabajo en frío

• Los cuales a su vez se dividen en:
• Aceros templables en agua y que se identifican con la letra W
• Aceros templables en aceite identificables con la letra O
• Los aceros templables al aire que se identifican con la letra A
• Los aceros de alto cromo alto carbono que se utilizan para la fabricación de troqueles que se identifican con la letra D.
• Aceros resistentes al impacto. identificables con la letra S.
• Aceros para trabajo en caliente que se identifican con la letra H
• Los aceros rápidos o aceros alta velocidad que pueden ser al tungsteno y al molibdeno, identificándose los primeros con la letra W y los segundos con la letra M
• Los aceros para moldes que se identifican con la letra P
• Los aceros de propósito general que se identifican con las letras L y F.

FUNDICIONES DE HIERRO.

Son aleaciones de hierro y carbono con un contenido de este último en el rango de 2 hasta 6.7 % con cantidades adicionales de silicio o manganeso. Su principal diferencia con los aceros es que no se les puede dar forma mediante deformación plástica ni en frío ni en caliente. Sus principales características son las siguientes:

• Buena resistencia a la compresión, pero no a a la tensión
• Son maquinables
• Absorben vibraciones
• Buena resistencia bajo cargas variables
• Son baratos Los hierros fundidos se clasifican en función de la forma en que se encuentra en carbono tal y como se menciona a continuación:
• Hierros fundidos blancos. El carbono se encuentra en forma de carburo de hierro
• Hierros fundidos grises. - El carbono de encuentra en forma de hojuelas de grafito
• Hierros fundidos nodulares o dúctiles. - El carbono se encuentra en forma de nódulos de grafito.

• Componentes para avión
• Envases para alimentos
• Cancelería
• Diversos componentes automotrices El cobre es otro importante metal de uso corriente en ingeniería, sus principales elementos de aleación son:
• Estaño, para constituir al bronce
• Zinc, formando el latón
• Níquel constituyendo los cuproníqueles Sus principales características son:
• Es buen conductor eléctrico
• Posee buena resistencia a la corrosión
• Es dúctil y fácil de soldar
• Posee una resistencia mecánica moderada. Sus principales aplicaciones son:
• Conductores eléctricos
• Resortes
• Tubería
• Artesanías
• Engranes
• Cerraduras Otro metal con cada día mayor número de aplicaciones es el zinc, el cual es muy abundante en nuestro país; sus principales elementos de aleación son: aluminio, magnesio y el cobre. Sus principales características son:
• Buena resistencia a la corrosión
• Económico

• Funde a bajas temperaturas aleado con otros elementos MATERIALES NO METÁLICOS. Los materiales no metálicos están constituidos principalmente por los siguientes grupos de materiales.
• Plásticos -Cerámicos y
• Materiales compuestos. Los materiales plásticos Los plásticos se dividen para su estudio en tres grandes grupos, a saber:
• Termoplásticos
• termofijos
• Elastómeros Los primeros son aquellos que se pueden ablandar por medio de calor para darles forma muchas veces, esto significa que son fáciles de reciclar. Los plásticos termofijos no se pueden ablandar por medio calor, ya que si se aumenta mucho su temperatura sólo se conseguiría quemarlos y los elastómeros son aquellos que pueden experimentar una gran cantidad de deformación elástica a temperatura ambiente. De los plásticos se aprovechan las siguientes características:
• Son ligeros

han cobrado gran auge los llamados cerámicos de ingeniería, entre los que se pueden mencionar a los siguientes:

• Óxidos (óxido de aluminio, óxido de magnesio, etc.)
• Carburos (Carburo de tungsteno, carburo de silicio, carburo de titanio, etc.)
• Nitruros como puede ser en nitruro cúbico de silicio. Estos materiales de alta tecnología muestran las características siguientes:
• Poseen una alta dureza - Resistentes a temperaturas elevadas
• Aislantes térmicos y eléctricos
• Son resistentes a la corrosión, Sin embargo, son frágiles, son poco resistentes al choque térmico y son todavía muy caros. Estos materiales encuentran actualmente las siguientes aplicaciones:
• Herramientas de corte
• Recubrimientos
• Válvulas e impulsores para bombas
• Ladrillos refractarios
• Componentes automotrices. Materiales compuestos En términos generales, un material compuesto es aquel que está hecho de dos o más elementos que le otorgan ciertas propiedades en combinación que no son posibles en ninguno separadamente. Los más importantes son los que se refieren a fibras resistentes de varios tipos, encapsuladas en plástico. Estos, se clasifican en varias categorías según el tipo de fibras utilizadas en su fabricación tal y como se muestra a continuación: a) Plásticos reforzados con fibras de carbono (CFPR) b) Plásticos reforzados con fibras Aramid (AFRP)

c) Plásticos reforzados con fibras de vidrio. En los plásticos reforzados con fibras, éstas proporcionan la resistencia mecánica necesaria, y el material plástico o matriz proporciona la forma del componente. Las propiedades del material dependen del tipo de plástico y de fibra utilizados en su fabricación. Cuando las resinas utilizadas en los FRP son curadas y endurecidas forman una pieza de plástico, que por sí sola es débil y frágil. Por otra parte, las fibras utilizadas, son fabricadas de materiales frágiles y quebradizos como el vidrio ¿cómo es posible que unos materiales frágiles combinados con otro igual puedan crear un material tenaz? El material con que están fabricadas las fibras se produce en forma de filamentos muy finos, y las cuarteaduras y fracturas en el material compuesto dejan de ser un problema mayor debido a las razones siguientes: -El diámetro de los filamentos de fibra es tan pequeño, que cuando son sometidas a carga, simplemente se doblan y se apartan de la dirección de la carga, en lugar de soportarla y como consecuencia fracturarse.

• Existe una carga mínima que el material con el que están fabricadas las fibras puede tolerar sin que su resistencia de vea afectada. Influyendo de manera determinante el diámetro de la fibra en la resistencia mecánica de ella. Las principales aplicaciones de los materiales compuestos son las siguientes:
• Paneles de carrocerías para automóviles
• Artículos diversos
• Componentes para avión, etc. Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo,

1.2 Arreglos atómicos.

Se refiere a que los átomos al formar moléculas se “arreglan” o “acomodan” de acuerdo a su carga, electronegatividad, afinidad electrónica, etc. Para formar enlaces. Se describirán arreglos típicos en materiales sólidos de la estructura perfecta y a la vez se desarrollarán la nomenclatura utilizada para tener como objetivo la comprenden como las imperfecciones en el arreglo atómico permiten entender tanto la defoliación como el endurecimiento de muchos materiales sólidos. El arreglo o disposición de los átomos desempeña un papel importante en la determinación de la microestructura y el comportamiento de un material sólido. Sin considerar las imperfecciones en los materiales, existen tres niveles de organización de los átomos 1.- Desordenación : En gases como el argón y en la mayoría de los líquidos, los átomos y moléculas carecen de un arreglo ordenado; los átomos del argón se distribuyen aleatoriamente en el espacio donde confina el gas.

2.- Ordenamiento particular (de corto alcance): Existe sólo si el arreglo característico de los átomos se restringe solamente a átomos circunvecinos. Cada molécula de vapor de agua tiene un ordenamiento limitado debido a los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y de oxígeno; esto es, cada átomo de oxígeno se une a dos átomos de hidrógeno, con un ángulo de aproximadamente 104.5°entre los enlaces. Una situación similar ocurre en los cristales cerámicos. 3.- Ordenamiento general (de largo alcance): Los átomos forman un patrón reticular repetitivo. La red o retícula es un conjunto de puntos denominados puntos reticulares (o nodos), los cuales siguen un patrón regular, de manera que las inmediaciones de cada punto en la red son idénticas. Uno o más átomos se asocian con cada punto de la red. La configuración reticular difiere de un material a otro en forma y en dimensión, dependiendo del tamaño de los átomos y del tipo de enlace interatómico. La estructura cristalina se refiere al tamaño, forma y ordenamiento atómico dentro de la red. Red cristalina: disposición tridimensional de puntos coincidentes con las posiciones de los átomos (o centro de las esferas. Gaseoso: Sin Orden de largo alcance (cristal): En los materiales cristalinos, las partículas componentes muestran un ordenamiento regular. Niveles de ordenamiento atómico en los materiales. (a) los gases inertes no tienen una disposición regular de átomos, (b) y (c) Algunos materiales, incluso el vapor de agua y el vidrio tienen ordenamiento particular y (d) los metales y otros sólidos tienen un ordenamiento regular de átomos que se extiende a todo el material Sin orden (amorfo):