Propiedades de los materiales Ingeniería Industrial PROF. CAROLINA HERNÁNDEZ NAVARRO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
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Transcript
Propiedades de los materiales Ingenieriacutea Industrial
P R O F C A R O L I N A
H E R N Aacute N D E Z N A V A R R O
D E P A R T A M E N T O D E
I N G E N I E R Iacute A M E C Aacute N I C A
Caracterizacioacuten de la
asignatura
Esta asignatura aporta al perfil del Ingeniero
Industrial la capacidad para identificar los
diferentes tipos de materiales que pueden ser
clasificados en materiales metaacutelicos poliacutemeros y
ceraacutemicos asiacute como su relacioacuten entre la
estructura cristalina con las diferentes
propiedades teacutermicas eleacutectricas y mecaacutenicas en
funcioacuten de las necesidades para las diferentes
aplicaciones en que pueden estar involucrados
Objetivos generales
del curso Aplica herramientas metodoloacutegicas de
investigacioacuten en la elaboracioacuten de escritos
acadeacutemicos producto del desarrollo de la
investigacioacuten documental en temaacuteticas de su
aacuterea que lo habiliten para ser autoacutenomo en la
adquisicioacuten y construccioacuten de conocimientos que
fortalezcan su desarrollo profesional
Aplicar los materiales adecuados en los diferentes
procesos industriales de acuerdo a sus
caracteriacutesticas y propiedades para obtener
productos de calidad y bajo costo con
conciencia de proteccioacuten del medio ambiente
TEMARIO
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
1
Clasificacioacuten
de los
materiales
11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones ferrosas y no ferrosas
14 Materiales orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales ceraacutemicos
2 Estructura de
los materiales
21 Estructura cristalina y su
consecuencia en las propiedades
22 Materiales puros
23 Aleaciones ferrosas y no ferrosos
24 Materiales orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
25 Materiales ceraacutemicos
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
3
Propiedades
de los
materiales
31 Eleacutectricas y magneacuteticas
32 Teacutermicas
33 Quiacutemicas
34 Mecaacutenicas
4
Aplicaciones
de los
materiales
41 Industria baacutesica y extractiva
42 Industria metal mecaacutenica
43 Fabricacioacuten de componentes
eleacutectricos y electroacutenicos
44 Industria de la construccioacuten
45 Agroindustria
TEMARIO
1 191031187 USA ASTM 1916 Race Street 2003 uacuteltima
Edicioacuten
2 Askeland Donald R Ciencia e ingenieriacutea de los materiales
3 ASTM Annual Book of ASIM Standards todos los tomos
Philadelphia PA
4 Continental S A 1998 7ordf Edicioacuten
5 Direccioacuten General de Normas Editorial Secretaria de
Economiacutea Meacutexico 2003
6 Doyle Keyser Leach Schrader Singer Materiales y
procesos de manufactura para ingenieros Prentice Hall
7 Higgings Raymon Ingenieriacutea Metaluacutergica tomo I y II
Meacutexico Editorial Interamericano 1996 6ordf Edicioacuten
8 Mark Manual de Ingenieriacutea Mecaacutenica Volumen I II y III
Meacutexico EditorialMc
9 Van Vlack Tecnologiacutea de los Materiales Meacutexico Editorial
Fondo Educativo
FUENTES DE INFORMACIOacuteN
UNIDAD 1 11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones
ferrosas y no ferrosas
14 Materiales
orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales
Ceraacutemicos
COMPETENCIA
Identifica las caracteriacutesticas
de los materiales puros de
las aleaciones ferrosas no
ferrosas y materiales
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
Importancia del
estudio de las propiedades de los materiales
Todos los ingenieros tienen que ver con materiales de manera
cotidiana en manufactura y procesamientos y en el disentildeo y
construccioacuten de componentes o de estructuras Deben
seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos
Deben tomares una diversidad de decisiones importantes al
seleccionar los materiales a incorporar en un disentildeo incluyendo si
los materiales pueden ser transformados de manera consistente en
un producto con las tolerancias dimensionales correctas y si
pueden mantener la forma correcta durante su uso
Tambieacuten si las propiedades requeridas se pueden conseguir y
mantener durante el uso si el material es compatible con otras
partes de un ensamble y pueden faacutecilmente unirse a ellas por otro
lado considerar que pueda reciclarse faacutecilmente y observar si el
material o su fabricacioacuten puede causar problemas ecoloacutegicos
Finalmente si pueden convertirse de manera econoacutemica en un
componente uacutetil
GENERALIDADES
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Caracterizacioacuten de la
asignatura
Esta asignatura aporta al perfil del Ingeniero
Industrial la capacidad para identificar los
diferentes tipos de materiales que pueden ser
clasificados en materiales metaacutelicos poliacutemeros y
ceraacutemicos asiacute como su relacioacuten entre la
estructura cristalina con las diferentes
propiedades teacutermicas eleacutectricas y mecaacutenicas en
funcioacuten de las necesidades para las diferentes
aplicaciones en que pueden estar involucrados
Objetivos generales
del curso Aplica herramientas metodoloacutegicas de
investigacioacuten en la elaboracioacuten de escritos
acadeacutemicos producto del desarrollo de la
investigacioacuten documental en temaacuteticas de su
aacuterea que lo habiliten para ser autoacutenomo en la
adquisicioacuten y construccioacuten de conocimientos que
fortalezcan su desarrollo profesional
Aplicar los materiales adecuados en los diferentes
procesos industriales de acuerdo a sus
caracteriacutesticas y propiedades para obtener
productos de calidad y bajo costo con
conciencia de proteccioacuten del medio ambiente
TEMARIO
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
1
Clasificacioacuten
de los
materiales
11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones ferrosas y no ferrosas
14 Materiales orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales ceraacutemicos
2 Estructura de
los materiales
21 Estructura cristalina y su
consecuencia en las propiedades
22 Materiales puros
23 Aleaciones ferrosas y no ferrosos
24 Materiales orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
25 Materiales ceraacutemicos
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
3
Propiedades
de los
materiales
31 Eleacutectricas y magneacuteticas
32 Teacutermicas
33 Quiacutemicas
34 Mecaacutenicas
4
Aplicaciones
de los
materiales
41 Industria baacutesica y extractiva
42 Industria metal mecaacutenica
43 Fabricacioacuten de componentes
eleacutectricos y electroacutenicos
44 Industria de la construccioacuten
45 Agroindustria
TEMARIO
1 191031187 USA ASTM 1916 Race Street 2003 uacuteltima
Edicioacuten
2 Askeland Donald R Ciencia e ingenieriacutea de los materiales
3 ASTM Annual Book of ASIM Standards todos los tomos
Philadelphia PA
4 Continental S A 1998 7ordf Edicioacuten
5 Direccioacuten General de Normas Editorial Secretaria de
Economiacutea Meacutexico 2003
6 Doyle Keyser Leach Schrader Singer Materiales y
procesos de manufactura para ingenieros Prentice Hall
7 Higgings Raymon Ingenieriacutea Metaluacutergica tomo I y II
Meacutexico Editorial Interamericano 1996 6ordf Edicioacuten
8 Mark Manual de Ingenieriacutea Mecaacutenica Volumen I II y III
Meacutexico EditorialMc
9 Van Vlack Tecnologiacutea de los Materiales Meacutexico Editorial
Fondo Educativo
FUENTES DE INFORMACIOacuteN
UNIDAD 1 11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones
ferrosas y no ferrosas
14 Materiales
orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales
Ceraacutemicos
COMPETENCIA
Identifica las caracteriacutesticas
de los materiales puros de
las aleaciones ferrosas no
ferrosas y materiales
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
Importancia del
estudio de las propiedades de los materiales
Todos los ingenieros tienen que ver con materiales de manera
cotidiana en manufactura y procesamientos y en el disentildeo y
construccioacuten de componentes o de estructuras Deben
seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos
Deben tomares una diversidad de decisiones importantes al
seleccionar los materiales a incorporar en un disentildeo incluyendo si
los materiales pueden ser transformados de manera consistente en
un producto con las tolerancias dimensionales correctas y si
pueden mantener la forma correcta durante su uso
Tambieacuten si las propiedades requeridas se pueden conseguir y
mantener durante el uso si el material es compatible con otras
partes de un ensamble y pueden faacutecilmente unirse a ellas por otro
lado considerar que pueda reciclarse faacutecilmente y observar si el
material o su fabricacioacuten puede causar problemas ecoloacutegicos
Finalmente si pueden convertirse de manera econoacutemica en un
componente uacutetil
GENERALIDADES
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Objetivos generales
del curso Aplica herramientas metodoloacutegicas de
investigacioacuten en la elaboracioacuten de escritos
acadeacutemicos producto del desarrollo de la
investigacioacuten documental en temaacuteticas de su
aacuterea que lo habiliten para ser autoacutenomo en la
adquisicioacuten y construccioacuten de conocimientos que
fortalezcan su desarrollo profesional
Aplicar los materiales adecuados en los diferentes
procesos industriales de acuerdo a sus
caracteriacutesticas y propiedades para obtener
productos de calidad y bajo costo con
conciencia de proteccioacuten del medio ambiente
TEMARIO
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
1
Clasificacioacuten
de los
materiales
11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones ferrosas y no ferrosas
14 Materiales orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales ceraacutemicos
2 Estructura de
los materiales
21 Estructura cristalina y su
consecuencia en las propiedades
22 Materiales puros
23 Aleaciones ferrosas y no ferrosos
24 Materiales orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
25 Materiales ceraacutemicos
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
3
Propiedades
de los
materiales
31 Eleacutectricas y magneacuteticas
32 Teacutermicas
33 Quiacutemicas
34 Mecaacutenicas
4
Aplicaciones
de los
materiales
41 Industria baacutesica y extractiva
42 Industria metal mecaacutenica
43 Fabricacioacuten de componentes
eleacutectricos y electroacutenicos
44 Industria de la construccioacuten
45 Agroindustria
TEMARIO
1 191031187 USA ASTM 1916 Race Street 2003 uacuteltima
Edicioacuten
2 Askeland Donald R Ciencia e ingenieriacutea de los materiales
3 ASTM Annual Book of ASIM Standards todos los tomos
Philadelphia PA
4 Continental S A 1998 7ordf Edicioacuten
5 Direccioacuten General de Normas Editorial Secretaria de
Economiacutea Meacutexico 2003
6 Doyle Keyser Leach Schrader Singer Materiales y
procesos de manufactura para ingenieros Prentice Hall
7 Higgings Raymon Ingenieriacutea Metaluacutergica tomo I y II
Meacutexico Editorial Interamericano 1996 6ordf Edicioacuten
8 Mark Manual de Ingenieriacutea Mecaacutenica Volumen I II y III
Meacutexico EditorialMc
9 Van Vlack Tecnologiacutea de los Materiales Meacutexico Editorial
Fondo Educativo
FUENTES DE INFORMACIOacuteN
UNIDAD 1 11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones
ferrosas y no ferrosas
14 Materiales
orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales
Ceraacutemicos
COMPETENCIA
Identifica las caracteriacutesticas
de los materiales puros de
las aleaciones ferrosas no
ferrosas y materiales
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
Importancia del
estudio de las propiedades de los materiales
Todos los ingenieros tienen que ver con materiales de manera
cotidiana en manufactura y procesamientos y en el disentildeo y
construccioacuten de componentes o de estructuras Deben
seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos
Deben tomares una diversidad de decisiones importantes al
seleccionar los materiales a incorporar en un disentildeo incluyendo si
los materiales pueden ser transformados de manera consistente en
un producto con las tolerancias dimensionales correctas y si
pueden mantener la forma correcta durante su uso
Tambieacuten si las propiedades requeridas se pueden conseguir y
mantener durante el uso si el material es compatible con otras
partes de un ensamble y pueden faacutecilmente unirse a ellas por otro
lado considerar que pueda reciclarse faacutecilmente y observar si el
material o su fabricacioacuten puede causar problemas ecoloacutegicos
Finalmente si pueden convertirse de manera econoacutemica en un
componente uacutetil
GENERALIDADES
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
TEMARIO
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
1
Clasificacioacuten
de los
materiales
11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones ferrosas y no ferrosas
14 Materiales orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales ceraacutemicos
2 Estructura de
los materiales
21 Estructura cristalina y su
consecuencia en las propiedades
22 Materiales puros
23 Aleaciones ferrosas y no ferrosos
24 Materiales orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
25 Materiales ceraacutemicos
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
3
Propiedades
de los
materiales
31 Eleacutectricas y magneacuteticas
32 Teacutermicas
33 Quiacutemicas
34 Mecaacutenicas
4
Aplicaciones
de los
materiales
41 Industria baacutesica y extractiva
42 Industria metal mecaacutenica
43 Fabricacioacuten de componentes
eleacutectricos y electroacutenicos
44 Industria de la construccioacuten
45 Agroindustria
TEMARIO
1 191031187 USA ASTM 1916 Race Street 2003 uacuteltima
Edicioacuten
2 Askeland Donald R Ciencia e ingenieriacutea de los materiales
3 ASTM Annual Book of ASIM Standards todos los tomos
Philadelphia PA
4 Continental S A 1998 7ordf Edicioacuten
5 Direccioacuten General de Normas Editorial Secretaria de
Economiacutea Meacutexico 2003
6 Doyle Keyser Leach Schrader Singer Materiales y
procesos de manufactura para ingenieros Prentice Hall
7 Higgings Raymon Ingenieriacutea Metaluacutergica tomo I y II
Meacutexico Editorial Interamericano 1996 6ordf Edicioacuten
8 Mark Manual de Ingenieriacutea Mecaacutenica Volumen I II y III
Meacutexico EditorialMc
9 Van Vlack Tecnologiacutea de los Materiales Meacutexico Editorial
Fondo Educativo
FUENTES DE INFORMACIOacuteN
UNIDAD 1 11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones
ferrosas y no ferrosas
14 Materiales
orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales
Ceraacutemicos
COMPETENCIA
Identifica las caracteriacutesticas
de los materiales puros de
las aleaciones ferrosas no
ferrosas y materiales
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
Importancia del
estudio de las propiedades de los materiales
Todos los ingenieros tienen que ver con materiales de manera
cotidiana en manufactura y procesamientos y en el disentildeo y
construccioacuten de componentes o de estructuras Deben
seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos
Deben tomares una diversidad de decisiones importantes al
seleccionar los materiales a incorporar en un disentildeo incluyendo si
los materiales pueden ser transformados de manera consistente en
un producto con las tolerancias dimensionales correctas y si
pueden mantener la forma correcta durante su uso
Tambieacuten si las propiedades requeridas se pueden conseguir y
mantener durante el uso si el material es compatible con otras
partes de un ensamble y pueden faacutecilmente unirse a ellas por otro
lado considerar que pueda reciclarse faacutecilmente y observar si el
material o su fabricacioacuten puede causar problemas ecoloacutegicos
Finalmente si pueden convertirse de manera econoacutemica en un
componente uacutetil
GENERALIDADES
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
UNIDAD TEMA SUBTEMAS
3
Propiedades
de los
materiales
31 Eleacutectricas y magneacuteticas
32 Teacutermicas
33 Quiacutemicas
34 Mecaacutenicas
4
Aplicaciones
de los
materiales
41 Industria baacutesica y extractiva
42 Industria metal mecaacutenica
43 Fabricacioacuten de componentes
eleacutectricos y electroacutenicos
44 Industria de la construccioacuten
45 Agroindustria
TEMARIO
1 191031187 USA ASTM 1916 Race Street 2003 uacuteltima
Edicioacuten
2 Askeland Donald R Ciencia e ingenieriacutea de los materiales
3 ASTM Annual Book of ASIM Standards todos los tomos
Philadelphia PA
4 Continental S A 1998 7ordf Edicioacuten
5 Direccioacuten General de Normas Editorial Secretaria de
Economiacutea Meacutexico 2003
6 Doyle Keyser Leach Schrader Singer Materiales y
procesos de manufactura para ingenieros Prentice Hall
7 Higgings Raymon Ingenieriacutea Metaluacutergica tomo I y II
Meacutexico Editorial Interamericano 1996 6ordf Edicioacuten
8 Mark Manual de Ingenieriacutea Mecaacutenica Volumen I II y III
Meacutexico EditorialMc
9 Van Vlack Tecnologiacutea de los Materiales Meacutexico Editorial
Fondo Educativo
FUENTES DE INFORMACIOacuteN
UNIDAD 1 11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones
ferrosas y no ferrosas
14 Materiales
orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales
Ceraacutemicos
COMPETENCIA
Identifica las caracteriacutesticas
de los materiales puros de
las aleaciones ferrosas no
ferrosas y materiales
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
Importancia del
estudio de las propiedades de los materiales
Todos los ingenieros tienen que ver con materiales de manera
cotidiana en manufactura y procesamientos y en el disentildeo y
construccioacuten de componentes o de estructuras Deben
seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos
Deben tomares una diversidad de decisiones importantes al
seleccionar los materiales a incorporar en un disentildeo incluyendo si
los materiales pueden ser transformados de manera consistente en
un producto con las tolerancias dimensionales correctas y si
pueden mantener la forma correcta durante su uso
Tambieacuten si las propiedades requeridas se pueden conseguir y
mantener durante el uso si el material es compatible con otras
partes de un ensamble y pueden faacutecilmente unirse a ellas por otro
lado considerar que pueda reciclarse faacutecilmente y observar si el
material o su fabricacioacuten puede causar problemas ecoloacutegicos
Finalmente si pueden convertirse de manera econoacutemica en un
componente uacutetil
GENERALIDADES
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
1 191031187 USA ASTM 1916 Race Street 2003 uacuteltima
Edicioacuten
2 Askeland Donald R Ciencia e ingenieriacutea de los materiales
3 ASTM Annual Book of ASIM Standards todos los tomos
Philadelphia PA
4 Continental S A 1998 7ordf Edicioacuten
5 Direccioacuten General de Normas Editorial Secretaria de
Economiacutea Meacutexico 2003
6 Doyle Keyser Leach Schrader Singer Materiales y
procesos de manufactura para ingenieros Prentice Hall
7 Higgings Raymon Ingenieriacutea Metaluacutergica tomo I y II
Meacutexico Editorial Interamericano 1996 6ordf Edicioacuten
8 Mark Manual de Ingenieriacutea Mecaacutenica Volumen I II y III
Meacutexico EditorialMc
9 Van Vlack Tecnologiacutea de los Materiales Meacutexico Editorial
Fondo Educativo
FUENTES DE INFORMACIOacuteN
UNIDAD 1 11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones
ferrosas y no ferrosas
14 Materiales
orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales
Ceraacutemicos
COMPETENCIA
Identifica las caracteriacutesticas
de los materiales puros de
las aleaciones ferrosas no
ferrosas y materiales
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
Importancia del
estudio de las propiedades de los materiales
Todos los ingenieros tienen que ver con materiales de manera
cotidiana en manufactura y procesamientos y en el disentildeo y
construccioacuten de componentes o de estructuras Deben
seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos
Deben tomares una diversidad de decisiones importantes al
seleccionar los materiales a incorporar en un disentildeo incluyendo si
los materiales pueden ser transformados de manera consistente en
un producto con las tolerancias dimensionales correctas y si
pueden mantener la forma correcta durante su uso
Tambieacuten si las propiedades requeridas se pueden conseguir y
mantener durante el uso si el material es compatible con otras
partes de un ensamble y pueden faacutecilmente unirse a ellas por otro
lado considerar que pueda reciclarse faacutecilmente y observar si el
material o su fabricacioacuten puede causar problemas ecoloacutegicos
Finalmente si pueden convertirse de manera econoacutemica en un
componente uacutetil
GENERALIDADES
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
UNIDAD 1 11 Generalidades
12 Materiales Puros
13 Aleaciones
ferrosas y no ferrosas
14 Materiales
orgaacutenicos e
inorgaacutenicos
15 Materiales
Ceraacutemicos
COMPETENCIA
Identifica las caracteriacutesticas
de los materiales puros de
las aleaciones ferrosas no
ferrosas y materiales
orgaacutenicos e inorgaacutenicos
Importancia del
estudio de las propiedades de los materiales
Todos los ingenieros tienen que ver con materiales de manera
cotidiana en manufactura y procesamientos y en el disentildeo y
construccioacuten de componentes o de estructuras Deben
seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos
Deben tomares una diversidad de decisiones importantes al
seleccionar los materiales a incorporar en un disentildeo incluyendo si
los materiales pueden ser transformados de manera consistente en
un producto con las tolerancias dimensionales correctas y si
pueden mantener la forma correcta durante su uso
Tambieacuten si las propiedades requeridas se pueden conseguir y
mantener durante el uso si el material es compatible con otras
partes de un ensamble y pueden faacutecilmente unirse a ellas por otro
lado considerar que pueda reciclarse faacutecilmente y observar si el
material o su fabricacioacuten puede causar problemas ecoloacutegicos
Finalmente si pueden convertirse de manera econoacutemica en un
componente uacutetil
GENERALIDADES
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Importancia del
estudio de las propiedades de los materiales
Todos los ingenieros tienen que ver con materiales de manera
cotidiana en manufactura y procesamientos y en el disentildeo y
construccioacuten de componentes o de estructuras Deben
seleccionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos
Deben tomares una diversidad de decisiones importantes al
seleccionar los materiales a incorporar en un disentildeo incluyendo si
los materiales pueden ser transformados de manera consistente en
un producto con las tolerancias dimensionales correctas y si
pueden mantener la forma correcta durante su uso
Tambieacuten si las propiedades requeridas se pueden conseguir y
mantener durante el uso si el material es compatible con otras
partes de un ensamble y pueden faacutecilmente unirse a ellas por otro
lado considerar que pueda reciclarse faacutecilmente y observar si el
material o su fabricacioacuten puede causar problemas ecoloacutegicos
Finalmente si pueden convertirse de manera econoacutemica en un
componente uacutetil
GENERALIDADES
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
1 Nombra algunos materiales de uso comuacuten e indica para queacute se
utilizan
2 Argumenta queacute material crees que es imprescindible en nuestra
vida diaria
3 iquestCuaacuteles crees que han sido los avances teacutecnicos que nos han
permitido crear materiales sinteacuteticos es decir laquoinventarraquo nuevos
materiales
4 Explica el significado de esta frase laquoEn el origen del Universo se
encuentra el origen de todos los materiales conocidosraquo
5 iquestEn queacute se diferencian los elementos quiacutemicos los compuestos y las
mezclas Indica ejemplos de cada uno
6 Plaacutesticos por todas partes Escribe el nombre de algunos plaacutesticos e
indica diferentes usos y propiedades de los siguientes polietileno
(PET) polipropileno (PP) poliestireno (PS) policloruro de vinilo (PVC)
7 Indica algunos problemas ambientales asociados a la produccioacuten
de materiales su transporte utilizacioacuten y gestioacuten de sus residuos
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
8 Explica las razones por las que se deben reciclar el papel
y el vidrio iquestQueacute se hace con los materiales una vez
reciclados iquestPara queacute sirven
9 iquestQueacute son los nanomateriales iquestCuaacuteles son sus dimensiones
10 iquestQueacute es la nanotecnologiacutea iquestQueacute tipo de materiales
utiliza iquestCuaacuteles son los principales instrumentos
herramientas o maacutequinas que utiliza
11 Indica algunas de las aplicaciones de la nanotecnologiacutea
12 La nanotecnologiacutea es una ciencia multidisciplinar Indica
algunas de las disciplinas que intervienen en la misma
GENERALIDADES
A1 Aplicaciones y Nuevos materiales Continuacioacutenhellip
iquestCoacutemo de pequentildeo es un nanoacutemetro httpwwwelpaiscomgraficossociedadpequenonanometroelpepusoc200
80219elpepusoc_1Ges
Enlace
Diagnoacutestico A ver queacute
sabes antes de empezar
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Introduccioacuten
Los materiales son los componentes de que estaacuten hechos los
objetos uacutetiles
En la naturaleza existen 90 elementos quiacutemicos diferentes sus
aacutetomos tienen todos el mismo nuacutemero atoacutemico estaacuten
clasificados en la tabla perioacutedica por orden creciente de su nuacutemero atoacutemico y de forma simple o combinada (en forma de
compuestos o de mezclas) son los laquoladrillosraquo o constituyentes de
todos los objetos del Universo
Se conociacutea 116 elementos en 2009 Se formaron en el interior de las estrellas del hidroacutegeno al hierro en las explosiones de
supernovas los elementos maacutes pesados que el hierro (26) hasta
el Uranio (92) y artificialmente en el laboratorio en reacciones
nucleares los elementos maacutes pesados que el Uranio (y tambieacuten
el tecnecio y el prometio)
GENERALIDADES
iquestQueacute son los materiales
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Los compuestos quiacutemicos como el agua o el metano son
sustancias puras que no pueden separarse en sus elementos por procedimientos fiacutesicos (filtracioacuten decantacioacuten destilacioacuten etc)
Las aleaciones son mezclas homogeacuteneas realizadas
artificialmente de dos o maacutes elementos con el objeto de mejorar alguna de sus propiedades fiacutesicas Asiacute el bronce es una
aleacioacuten de cobre y estantildeo
Los composites son materiales compuestos por dos o maacutes
materiales de propiedades fiacutesicas y quiacutemicas muy diferentes que forman a su vez sustancias muy diferentes como la madera
contrachapada la poliamida el cemento o el adobe formado por barro y paja Cada nueva etapa de la evolucioacuten
tecnoloacutegica ha traiacutedo consigo la incorporacioacuten de nuevos materiales
GENERALIDADES Algunas definiciones
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
A2 Explica las diferencias y pon ejemplos de cada uno
1 Elementos y compuestos
2 Compuestos y aleaciones
3 Aleaciones y composites
Actividad
Las materias primas son aquellos recursos naturales que se emplean
en alguacuten proceso posterior de produccioacuten o para obtener energiacutea
Seguacuten su uso pueden considerarse o no materiales
GENERALIDADES
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
El comportamiento de los
materiales en cada uno
de estos grupos queda
definido por su estructura
La estructura electroacutenica
de un aacutetomo determina
la naturaleza de los
enlaces atoacutemicos la cual
ayuda a fijar las
propiedades mecaacutenicas
y fiacutesicas de un material
dado
CONFORMACIOacuteN
PROPIEDADES ESTRUCTURA
MATERIALES
APLICACIONES
Clasificamos los materiales
en varios grupos principales
metales ceraacutemicos poliacutemeros semiconductores y compuestos
GENERALIDADES
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
La Ciencia de los Materiales se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales uacutetiles y sus
combinaciones para dar forma y utilizaciones que la
sociedad demande
Aportaciones
Quiacutemica Extraccioacuten enlace aleacioacuten anaacutelisis
corrosioacutenhellip
Fiacutesica Estructura solidificacioacuten transformaciones estado soacutelido
Matemaacuteticas Difusioacuten modelos de
comportamientoshellip
Geologiacutea Mineralogiacutea geoquiacutemicahellip
Biologiacutea Lixiviacioacuten de menas corrosioacuten hellip
Tecnologiacutea Fiacutesica del estado soacutelido termodinaacutemica
cineacuteticahellip
GENERALIDADES
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
GENERALIDADES Metales Los metales y sus aleaciones incluyendo acero
aluminio magnesio zinc hierro fundido titano cobre
y niacutequel generalmente tienen como caracteriacutestica
una buena conductividad eleacutectrica y teacutermica una
resistencia relativamente ata una alta rigidez
ductibilidd o conformabilidad y resistencia al impacto
Metal Aplicacioacuten Propiedad
Cobre Alambre conductor
eleacutectrico
Alta conductividad eleacutectrica
buena formabilidad
Hierro fundido
gris
Bloques para motor
de automoacutevil
Moldeable maquinable
absorbe vibraciones
Aleacioacuten de
aceros
Llaves Endurecidas de manera
significativa mediante
tratamientos teacutermicos
Las combinaciones de metales conocidas como aleaciones
proporcionan mejoriacutea en alguna propiedad particularmente deseable
permiten una mejor combinacioacuten de propiedades
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
GENERALIDADES
Corte transversal de un turborreactor La seccioacuten de compresioacuten
delantera opera a temperaturas bajas o medianas y a menudo se
utilizan componentes de titano La seccioacuten trasera de combustioacuten
opera a alta temperatura y se requieren de superaleaciones base
niacutequel La coraza exterior estaacute sujeta a temperaturas bajas y resultan
satisfactorios el aluminio y materiales compuestos (cortesiacutea de GE
Aircraft Engines)
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Ceraacutemicos El ladrillo el vidrio la porcelana los
refractarios y los abrasivos tienen baja conductividad
eleacutectrica y teacutermica y a menudo son utilizados como
aislantes Los ceraacutemicos son fuertes y duros aunque
tambieacuten muy fraacutegiles o quebradizos Las nuevas
teacutecnicas de procesamiento han conseguido que los
ceraacutemicos sean lo suficientemente resistentes a la
fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones
de carga como los impulsores en motores de turbina
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
SiO2 ndash NasO -
CaO
Vidrio para ventana Oacutepticamente uacutetil aislante
teacutermico
Al2O3 MgO
SiO2
Refractarios para
contener metal
fundido
Aislantes teacutermicos se funden a
alta temperatura relativamente
inertes ante metal fundido
Titanato de
bario
Transductores para
equipo de audio
Convierten sonido en
electricidad (comportamiento
piezoeleacutectrico)
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Una diversidad de
componentes
ceraacutemicos complejos
incluyendo impulsores
y aacutelabes que
permiten a los
motores de turbina
operar con mayor
eficiencia a
temperaturas maacutes
elevadas (Cortesiacutea
de Certech Inc)
GENERALIDADES
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Poliacutemeros Producidos mediante un proceso conocido
como polimerizacioacuten es decir creando grandes
estructuras moleculares a partir de moleacuteculas orgaacutenicas
llamados monoacutemeros Los poliacutemeros tienen baja
conductividad eleacutectrica y teacutermica reducida resistencia
y no son adecuados para utilizarse en temperaturas
elevadas
GENERALIDADES
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Polietileno Empacado de
alimentos
Faacutecilmente conformable en
delgadas peliacuteculas flexibles e
impermeables
Epoacutexicos Encapsulado de
circuitos integrados
Eleacutectricamente aislante y resistente
a la humedad
Los poliacutemeros termoplaacutesticos en los cuales las largas cadenas
moleculares no estaacuten conectadas de manera riacutegida tienen buena
ductibilidad y conformabilidad los poliacutemeros termoestables son maacutes
resistentes aunque maacutes fraacutegiles porque las cadenas moleculares estaacuten
fuertemente enlazadas
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
GENERALIDADES
La polimerizacioacuten ocurre cuando moleacuteculas pequentildeas representadas
por los ciacuterculos se combinan para producir moleacuteculas maacutes grandes (es
decir poliacutemeros) Las moleacuteculas de los poliacutemeros pueden tener una
estructura de tipo cadena (termoplaacutesticos) o pueden formar redes
tridimensionales (termoestables)
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
GENERALIDADES
Los poliacutemeros se
utilizan en una
diversidad de
dispositivos
electroacutenicos
incluyendo estos
interruptores de
computadora
donde se requiere
resistencia a la
humedad y baja
conductividad
(Cortesiacutea de CTS
Corporation)
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
GENERALIDADES
Semiconductores Aunque el silicio el germanio y una variedad de
compuestos como el GaAs (arseniuro de galio) con muy fraacutegiles
resultan esenciales para aplicaciones electroacutenicas de computadoras
y de comunicaciones La conductividad eleacutectrica de estos materiales
puede controlarse para su uso en dispositivos electroacutenicos como
transistores diodos y circuitos integrados La informacioacuten hoy diacutea se
transmite por luz a traveacutes de sistemas de fibras oacutepticas los
semiconductores que convierten las sentildeales eleacutectricas en luz son
componentes esenciales de estos sistemas
Ceraacutemicos Aplicacioacuten Propiedad
Silicio Transistores y
circuitos integrados
Comportamiento eleacutectrico uacutenico
GaAs Sistemas de fibras
oacutepticas
Convierte sentildeales eleacutectricas en luz
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Los circuitos
integrados para
las computadoras
y otros dispositivos
electroacutenicos se
pasan en el
comportamiento
eleacutectrico uacutenico
de los materiales
semiconductores
(Cortesiacutea de
Rogers
Corporation)
GENERALIDADES
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Materiales compuestos Se forman a partir de
dos o maacutes materiales propiedades que no se
encuentran en ninguno de los materiales de
manera individual El concreto la madera
contrachapada y la fibra de vidrio son ejemplos
tiacutepicos
Compuestos Aplicacioacuten Propiedad
Grafito de
matriz epoacutexica
Componentes
para aeronaves
Relacioacuten elevada resistencia-peso
Carburo de
tungsteno-
cobalto
Herramientas
de corte de
carburo para
maquinado
Alta dureza y de una buena
resistencia al impacto
Acero
recubierto de
titanio
Recipientes
para reactores
Tiene el bajo costo y la alta
resistencia del acero con la
resistencia a la corrosioacuten del titanio
GENERALIDADES
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
El ala en X de los helicoacutepteros modernos depende de un material
compuesto de un poliacutemero reforzado con fibra de carbono (Cortesiacutea
de Sikorsky Aircraft Division ndash United Technologies Corporation)
GENERALIDADES
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
A3 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una extensioacuten eleacutectrica
Disentildee los materiales necesarios para transportar una corriente entre
dos componentes mediante una extensioacuten eleacutectrica
A4 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para una taza de para cafeacute
Disentildee un material a partir del cual se pueda producir una taza de
cafeacute iquestQueacute propiedad en particular haraacute que ese material sea el
adecuado
A5 Disentildeo y seleccioacuten de materiales para el ala de un avioacuten
Describa algunas de las propiedades mecaacutenicas y fiacutesicas clave a
tomar en consideraciones para disentildear el material para el ala de un
avioacuten
GENERALIDADES
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Un aacutetomo estaacute compuesto de un nuacutecleo rodeado por
electrones El nuacutecleo contiene neutrones y protones de carga
positiva Los electrones de carga negativa estaacuten sujetos al nuacutecleo por atraccioacuten electrostaacutetica
Dado que el nuacutemero de electrones y protones en un aacutetomo es
el mismo en su conjunto el aacutetomo es eleacutectricamente neutro
El nuacutemero atoacutemico de un elemento es igual al nuacutemero de
electrones o protones en cada aacutetomo Por tanto un aacutetomo de
hierro que contiene 26 electrones y 26 protonoes tiene un
nuacutemero aacutetomico de 26
Los isoacutetopos son aacutetomos de un mismo elemento que tienen el mismo nuacutemero de protones y electrones (mismo nuacutemero
aacutetomico) pero diferente nuacutemero de neutrones
GENERALIDADES
Recordando
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
GENERALIDADES
Uno de los factores que determinan el tipo de enlace
que forma un aacutetomo es su electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia de un aacutetomo a
ganar un electroacuten Aacutetomos con los niveles externos de
energiacutea casi llenos como el cloro son fuertemente
electronegativos y aceptan electrones con facilidad
con los niveles de energiacutea externos casi vaciacuteos como
el sodio con facilidad ceden electrones y son
fuertemente electropositivos Elementos con nuacutemero
atoacutemico alto tambieacuten tienen baja
electronegatividad como sus electrones externos
estaacuten alejados del nuacutecleo positivo eacutestos son
permanecen tan fuertemente atraiacutedos hacia el
mismo
Enlaces atoacutemicos
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Enlaces metaacutelicos
Los elementos
metaacutelicos que
tienen una electronegatividad
baja ceden sus
electrones de
valencia rodeando
a los aacutetomos Dado que sus electrones
no estaacuten fijos a
ninguna posicioacuten en
particular los metales son buenos
conductores
eleacutectricos
Electrones
deslocalizados
Nuacutecleo con las
capas internas
llenas
Enlaces atoacutemicos
Al aplicar un voltaje los electrones de
valencia se mueven haciendo que fluya
una corriente si el circuito estaacute
completo
GENERALIDADES
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Enlaces covalentes
Comparten electrones entre dos o
maacutes aacutetomos Los aacutetomos deben
organizarse de manera que los
enlaces tenga una relacioacuten direccional fija entre ellos
Aunque son fuertes los materiales
enlazados de esta manera por lo
general tiene pobre ductibilidad y
mala conductividad eleacutectrica y
teacutermica Muchos materiales
ceraacutemicos semiconductores y
polimeacutericos presentan enlaces
covalentes lo que explica la razoacuten por la cual el vidrio se rompen
cuando se cae y por queacute los
ladrillos son buenos materiales
aislantes
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
GENERALIDADES
Celdas unitarias La celda unitaria es la subdivisioacuten
de la red cristalina que sigue
conservando las caracteriacutesticas generales de toda la red Al
apilar las celdas unitarias
ideacutenticas se puede construir
toda la red
Una red es un arreglo perioacutedico de puntos que definen un
espacio
Celda
unitaria
Puntos de la red
o puntos reticulares
Aacutetomos
Moleacuteculas
Iones
Se identifican 14 tipos de celdas
unitarias o redes de Bravais
agrupadas en siete sistemas
cristalinos
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Los veacutertices de la celda unitaria se llaman puntos de red Las longitudes de las aristas de las celdas unitarias
se llaman paraacutemetros de red Los aacutengulos y las
longitudes dentro de la unidad repetitiva determinan
la clase a la que pertenece la celda de la red
GENERALIDADES
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
1 REDES CUacuteBICAS
a=b=c α=β=γ=90deg
a
c b
α β
γ
GENERALIDADES
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
2 REDES TETRAGONALES
a=bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
3 REDES HEXAGONALES
a=bnec α=β=90deg γ=120deg
GENERALIDADES
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
4 REDES ORTORROacuteMBICAS
a ne bnec α=β=γ=90deg
GENERALIDADES
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
4 REDES ROMBOEacuteDRICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
5 REDES MONOCLIacuteNICAS GENERALIDADES
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
4 REDES TRICLIacuteNICAS
a=b=c α=β=γ ne 90deg
GENERALIDADES
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
EQUILIBRIO
DE FASES
Existen dos tipo de aleaciones aleaciones de una fase y
aleaciones de varias fases
Fase Una fase tiene las caracteriacutesticas siguientes 1 Una fase tiene una misma estructura o arreglo atoacutemico en
todo el material
2 Una fase tiene aproximadamente una misma composicioacuten y
propiedades
3 Hay una interfase definida ente una fase y cualquier otra que
la rodea o que sea su vecina
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES FERROSAS
Las aleaciones ferrosas estaacuten basadas en aleaciones
de hierro y carbono incluyen los aceros al bajo
carbono los aceros aleados y de herramientas los
aceros inoxidables y los hierros fundidos Los aceros
tiacutepicamente se producen de dos formas refinando el
mineral de hierro o reciclando chatarra de acero
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Componente
(wt) Clasificacioacuten Ejemplos
C lt 001 Hierro
01 lt C lt 15 Acero al
carbono
Serie 1000 - ferritaperlita
Serie 2000 ndash ferritaperlita o
bainita Serie 3000 ndash martensitico
2 lt C lt 45 Fundiciones Fundicioacuten gris
Fundicioacuten blanca
Varios Aleaciones
de acero
Ni Mn Cu Co C N ndash estabilizadores de austenita
Cr Mo Si W V Sn Ti ndash
Estabilidzadores de ferrita
Cr gt 12 Aceros
Inoxidables
200300 ndash austeniacutetico 400 ndash ferriacutetico
400500 - martensiacutetico
ALEACIONES
FERROSAS
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
El hierro sufre dos transformaciones alotroacutepicas durante el
calentamiento o el enfriamiento Inmediatamente despueacutes de
la solidificacioacuten el hierro forma una estructura CC llamada
ferrita-δ Su maacutexima solubilidad en estado soacutelido del carbono
en ferrita-δ es del 009 a 1495degC
A un enfriamiento mayor el
hierro se transforma en una
estructura CCC llamada γ o
austenita La maacutexima solubilidad
en estado soacutelido del carbono en
la austenita es del 20 a 1148degC
y disminuye a un 08 a 723degC
Puede existir desde una
temperatura de 723degC hasta 1495degC
ALEACIONES
FERROSAS
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
ALEACIONES
FERROSAS
Finalmente el hierro vuelve a
transformarse en una estructura CC a
temperaturas auacuten inferiores esta estructura se conoce como α es decir
ferrita Es el constituyente maacutes balndo y
duacutectil de los aceros El carbono soacutelo es
ligeramente soluble en la ferrita-α por lo
que alcanza una solubilidad maacutexima en estado soacutelido del 002 a 723degC La
solubilidad del carbono en la ferrita-α
disminuye a un 0008 a 0degC
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro soacutelido se forma un
compuesto estequiomeacutetrico Fe3C o
cementita El Fe3C contiene 667 C
siendo extremadamente duro y fraacutegil y estaacute en todos los aceros comerciales
Es un compuesto duro y quebradizo
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
ALEACIONES
FERROSAS
Si se calienta una aleacioacuten que
contenga la composicioacuten eutectoide
de 077 C por encima de 727degC se
produciraacute una estructura que contendraacute soacutelo granos de austenita
Cuando la austenita se enfriacutea a 727degC
empieza la reaccioacuten eutectoide Igual
que ocurre en la reaccioacuten euteacutectica las dos fases que se forman tienen
composiciones distintas por lo que los
aacutetomos deberaacuten difundirse durante la
reaccioacuten
La perlita es una mezcla fina de ferrita
y cementita Este constituyente
eutectoide estaacute formado por capas alternadas de ferrita y cementita
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten periteacutectica Un liacutequido de 053 C se
combina con ferrita (δ)
de un 009 C para
formar austenita (γ) del
017 y tiene lugar a
1495degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
Liacutequido+ferrita(δ) austenita
Reaccioacuten euteacutectica Un
del 43 C forma austenita (γ) del 208 C
y el compuesto
intermetaacutelico Fe3C
(cementita) que contiene 667 C y tiene
lugar a 1148degC
Liacutequido austenita + Fe3C
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
ALEACIONES
FERROSAS
Peso porcentual del carbono
Tem
pe
ratu
ra (
degC)
Diagrama de fases Fe-C
Reaccioacuten eutectoide En el punto de la
reaccioacuten eutectoide la
austenita soacutelida del
008 C produce ferrita
(α) con 002 C y Fe3C
que contiene 667 C
tiene lugar a 723degC
REACCIONES INVARIANTES EN EL DIAGRAMA Fe-C
austenita ferrita(α) + Fe3C
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
El AISI (American Iron and Steel Institute) y el SAE
(Society of Automotive Engineers) tienen sistemas
para clasificar los aceros utilizando un nuacutemero de
cuatro o cinco diacutegitos La SAE fue la primera en
adoptar un sistema de numeracioacuten para los aceros
en donde los dos primeros nuacutemeros se refieren a los
principales elementos de aleacioacuten presentes y los
uacuteltimos dos o tres se refieren al porcentaje de
carbono Posteriormente la AISI adoptoacute un sistema
similar En este una letra usada como prefijo indica
el proceso mediante el cual se fabrica el acero
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
A= acero aleado producido seguacuten el procedimiento
SiemensMarin baacutesico
B= acero al carbono seguacuten el procedimiento
Bessemer aacutecido
C= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
baacutesico
D= acero al carbono del proceso Siemens-Martin
aacutecido
E= acero de horno eleacutectrico
BOF= aceros del proceso de horno de oxiacutegeno
baacutesico
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Los primeros dos nuacutemeros que estaacuten despueacutes del prefijo
literal indican la composicioacuten excluyendo el contenido
de carbono Los dos uacuteltimos nuacutemeros (o tres en el caso de los aceros de alto contenido de carbono de los
grupos del cromo 51 y 52) indican el contenido
aproximado de carbono
Asiacute un material designado por AISI C1040 es un acero
Siemens-Martin baacutesico con un contenido de 037 ndash
044 de carbono Anaacutelogamente un material SAE 2330
es un acero niacutequel con 028 a 033 de carbono
NOTA La designacioacuten UNS de los aceros incluye los
nuacutemeros AISI y SAE anteriores Por tanto un acero UNS
G10350 es el mismo que uno AISI1035 o SAE1035
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Las diversas composiciones utilizadas en aceros son las
siguientes
10 carbono simple
11 carbono de corte libre con maacutes azufre o foacutesforo
13 manganeso
23 niacutequel 25 niacutequel
31 niacutequel-cromo
33 niacutequel-cromo
40 molibdeno 41 cromo-molibdeno
43 niacutequel-cromo-molibdeno
46 niacutequel-molibdeno
48 niacutequel-molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
50 cromo
51 cromo
52 cromo 61 cromo-vanadio
86 cromo-niacutequel-molibdeno
87 cromo-niacutequel-molibdeno
92 manganeso-silicio 94 niacutequel-cromo-molibdeno
Las convenciones para el primer diacutegito son
1 manganeso
2 niacutequel
3 niacutequel-cromo principal aleante el cromo
4 molibdeno
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
5 cromo
6 cromo-vanadio principal aleante el cromo
8 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el molibdeno
9 niacutequel-cromo-molibdeno principal aleante el niacutequel
De esto podemos concluir que si el primer nuacutemero es 1 se sabe que es un acero al carbono si el diacutegito
siguiente es 0 o sea que la designacioacuten es 10XX se trata
de un acero ordinario al carbono
Designacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Clasificacioacuten de las
aleaciones ferrosas
Un acero AISI 1040 es al bajo carbono con 040 C
Un acero SAE 10120 es al bajo carbono conteniendo
120 C
Un acero AISI 4340 es aleado y contiene 040 C
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Los aceros se clasifican tomando en cuenta diferentes
aspectos
A Seguacuten su composicioacuten
a) Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten (Clt025)
- Aceros de carbono medio (025 lt C lt 060)
- Aceros de alto carbono (Cgt060)
b) Aceros aleados
- Aceros de baja aleacioacuten ( aleantes lt 25)
- Aceros de aleacioacuten media (25 lt aleantes lt 10)
- Aceros de alta aleacioacuten ( aleantes gt 10)
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
B Seguacuten su utilizacioacuten 1 Aceros de construccioacuten
a) Aceros que se usan en bruto de forja o laminacioacuten (sin
tratamiento teacutermico)
- Aceros al carbono
- Aceros de baja aleacioacuten
- Aceros de faacutecil mecanizacioacuten
b) Aceros que se usan despueacutes de un tratamiento teacutermico
- Aceros al carbono
- Aceros de gran resistencia
- Aceros de cementacioacuten
- Aceros de nitruracioacuten
- Aceros para muelles
- Aceros resistentes al desgaste
- Aceros de propiedades eleacutectricas especiales
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
2 Aceros de herramientas
- Aceros al carbono
- Aceros raacutepidos
- Aceros para trabajos en caliente
- Aceros indeformables
- Aceros de corte no raacutepidos
3 Aceros inoxidables
- Aceros martensiacuteticos (115 a 18 de Cr)
- Aceros ferriacuteticos (14 a 27 de Cr)
- Aceros austeniacuteticos (Cr y Ni maacutes del 23)
- Aceros endurecibles por precipitacioacuten
- Aceros duplex
Clasificacioacuten de los aceros
ALEACIONES
FERROSAS
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Los aceros al carbono son definidos como aleaciones de
hierro y carbono en los cuales el contenido de
manganeso no excede 165 y contenido de silicio y
cobre no exceden 060 cada uno
Existen tres procesos a traveacutes de los cuales se produce
acero al carbono siendo el horno de oxiacutegeno el maacutes
utilizado a nivel industrial
1 Horno de Oxiacutegeno
2 Horno de ldquocorazoacuten abiertordquo
3 Horno eleacutectrico
Las fundiciones poseen de 2-4 de carbono poseen
como microcostituyente a la cementita
Aceros al carbono y
fundiciones
ALEACIONES
FERROSAS
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
POLIacuteMEROS
Poliacutemero Compuesto orgaacutenico natural o sinteacutetico de elevado peso molecular
constituido por unidades estructurales
repetitivas que se componen
basicamente de C H O Nrdquo
cadenas de gran tamantildeo formadas
por la unioacuten covalente de varias
unidades monomeacutericas
(macromoleacutecula)
Plaacutestico Material listo para la fabricacioacuten de
piezas de moldeo y semifrabricados
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
1048707 Se conforman faacutecilmente por moldeo
1048707 Para que sean reutilizables y con un nivel aceptable de calidad hay que antildeadir ldquoaditivosrdquo auxiliares para la mejora de
las propiedades
1048707 Baja resistencia a la traccioacuten
1048707 Uso limitado en funcioacuten de la temperatura (300ordmC 530ordmC) 1048707 Gran coeficiente de dilatacioacuten teacutermica
1048707 Las uniones Van-der-Waals originan la buena ductilidad de
algunos poliacutemeros y
que sean blandos
1048707 Plaacutesticos Gran capacidad de deformacioacuten plaacutestica
Caracteriacutesticas principales
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Clasificacioacuten
ORIGEN - Naturales (celulosa quitosaacuten almidones peptinas DNA
proteiacutenas)
- Sinteacuteticos Se obtienen industrilamente (nylon PVC
polietireno ABS
- Artificiales Naturales hechos aritficialmente (hidroximetilcelulosa)
TIPO DE UNIDAD MONOMEacuteRICA - Homopoliacutemeros AAA - Heteropoliacutemero (copoliacutemeros) AB ABA
MECANISMOS DE POLIMERIZACIOacuteN - Adicioacuten (reaccioacuten en cadena) A partir de la reaccioacuten en
cadena se unen monoacutemeros y no generan otras moleacuteculas - Condensacioacuten (reaccioacuten por etapas) Generan una
moleacutecula extra monoacutemeros diferentes
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Clasificacioacuten
COMPORTAMINETO CON TEMPERATURA - Termoplaacutesticos Se calienta fluye endurece Se puede
reutilizar (reprocesar)
- Termoestables (termofijos) Se calienta antes de fundir se
queman
COMERCIALIZACIOacuteN - Commodities Fabricacioacuten y uso necesario (costo de
mercado)
- Ingenieriacutea Elaborados para cosas especiacuteficas (ABS policarbonato)
APLICACIOacuteN - Plaacutesticos - Elastoacutemeros
- Fibras
- Adhesivos
- Recubrimientos
POLIacuteMEROS
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Clasificacioacuten
ESTRUCTURA - Cristalinos Forma definida reordenada celda unitaria
patroacuten
- Amorfos Sin forma No definido no celda no patroacuten
- Semicristalinos
POLIacuteMEROS
Conceptos baacutesicos
Peso molecular Moleacutecula muy grandes tienen alto peso molecular
(Mw)
Grado de polimerizacioacuten Cuaacutentos monoacutemeros hay en una cadena
(DP)
Mw = DP PM
PM etileno DP=1000
2 carbono =24 Mw= 28 000 ggmol
4 hidroacutegeno = 4
PM = 28 gmol
Velocidad de terminacioacuten Rt
Velocidad de propagacioacuten Rp
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
POLIacuteMEROS
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
bull Basada en los monoacutemeros utilizados en la fabricacioacuten
bull Nombres quiacutemicos complicados utilizacioacuten de siglas (ej
PMMA- poli-metilmetacrilato) bull Norma DIN 7728 termoplaacutesticos
bull Norma DIN 7708 termoestables
bull Norma DIN ISO 1629 elastoacutemeros
Monoacutemero metacrilato de metilo Poliacutemero polimetacrilato de metilo
Nomenclatura
POLIacuteMEROS
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Diferencias en los
mecanismos
POLIacuteMEROS
ADICIOacuteN
(REACCIOacuteN EN CADENA)
CONDENSACIOacuteN
(POLIMERIZACIOacuteN POR PASOS)
Crecimiento basado en adicioacuten de un monoacutemero a la cadena Concentracioacuten del monoacutemero
decrece constantemente durante la reaccioacuten
Cualquiera de las dos especies puede reaccionar El monoacutemero desaparece pronto
durante la reaccioacuten cuando DP=10 menos del 1 de monoacutemero
Cadenas largas se forman de inmediato peso molecular del poliacutemero cambia poco durante la
reaccioacuten
Peso molecular del poliacutemero se incrementa continuamente durante la reaccioacuten
Tiempos largos de reaccioacuten incrementan el porcentaje de conversioacuten paro afectan poco al peso molecular
Tiempos largos de reaccioacuten sirven para incrementar el peso molecular del poliacutemero
Mezcla de reaccioacuten contiene monoacutemero poliacutemero de alto peso molecular y solamente 10- de partes de cadenas crecientes
En cualquier momento todas las especies se encuentran presentes en proporciones calculable
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Poliacutemeros de adicioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Poliacutemeros de condensacioacuten
de uso frecuente
POLIacuteMEROS
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
bull Masa (Bulk)
- Se lleva a cabo una alta conversioacuten - Cineacutetica de radicales libres
- Se utiliza para etileno estireno metil metacrilato
- Contaminacioacuten miacutenima del producto
- No involucra otra fase - La viscosidad incrementa conforme la conversioacuten
incrementa haciendo la remocioacuten por calor y el proceso mas
difiacutecil
bull Solucioacuten - Homogeneo si el poliacutemero permanece soluble (vinilacetona
acrilonitrilo)
- Heterogeno si el poliacutemero es insoluble lleva a la precipitacioacuten
(polvo o granulado) - Cineacutetica de radicales libres
- Solventes reducen la viscosidad
- Contaminacioacuten ambiental debido al solvente
Procesos de reaccioacuten
POLIacuteMEROS
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
bull Emulsioacuten
- Pellets con tamantildeo de 0001 ndash 1cm de diaacutemetro
- Cineacutetica igual que en la de bulk
- Usado para estireno metil metacrilato vinil acetato - Baja viscosidad
- Se debe separar o purificar el poliacutemero o aceptar el
producto contamiando
bull Suspensioacuten - Surfactante es agregado a las micelas
- El monoacutemero es estabilizado por el surfactante y dispersado
en agua
Procesos de reaccioacuten POLIacuteMEROS
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
- Homopoliacutemero -A-A-A-A-A-
- Copoliacutemero alternante -A-B-A-B-A-B-A-B-A-
- Copoliacutemero al azar -A-B-B-A-B-B-B-A-A-
- Copoliacutemero de bloques -A-A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-A
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
Azar
Injertos
Bloques
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Secuencia en copoliacutemeros POLIacuteMEROS
CON RAMIFICACIOacuteN
Ramificada
Red
SIN RAMIFICACIOacuteN
CON RAMIFICACIOacuteN
Cruzada
CON RAMIFICACIOacuteN
Lineal
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
Estructura de diferentes
poliacutemeros
POLIacuteMEROS
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
En un poliacutemero la variable fundamental que controla sus
caracteriacutesticas y propiedades es el peso molecular Sin
embargo debido a que los meacutetodos de siacutentesis son procesos
aleatorios y estadiacutesticos en los que el crecimiento de la cadena que polimeriza esta influenciado por multitud de variables el
resultado final es que se obtiene un producto formado por
cadenas macromoleculares de distinta longitud Es decir no se
obtiene un peso molecular uacutenico sino una distribucioacuten de pesos
moleculares mas o menos estrecha dependiendo del meacutetodo
de siacutentesis Por ello los meacutetodos experimentales de
determinacioacuten del peso molecular proporcionan un valor
medio que seraacute diferente seguacuten se emplee una u otra teacutecnica
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
molecualres
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
1) El peso molecular promedio en
nuacutemero M n o ltMngt se define como
Ni es el nuacutemero de especies de peso
molecular Mi N = Ni es el nuacutemero total
de especies y xi=NiN es la fraccioacuten en
nuacutemero de la especie de peso
molecular Mi
2) Peso molecular promedio en
peso M w o ltMwgt se define por
la expresioacuten
Wi es el peso de las especies de peso
molecular Mi W = Wi es el peso total
de la
muestra y wi=WiW es la fraccioacuten en
peso de la especie de peso molecular
Mi
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
3) El siguiente promedio (tercer
momento estadiacutestico de la distribucioacuten)
se denomina peso molecular
promedio z M z
4) Se puede definir ademaacutes el
promedio z+1 como el siguiente
momento estadiacutestico
M z y M z+1se determina por medidas
de ultracentrifugacioacuten y
sedimentacioacuten
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
POLIacuteMEROS Distribucioacuten de pesos
moleculares
5) Hay ademaacutes otro valor de peso
molecular que se obtiene a partir de
medidas de viscosidad y es muy uacutetil
por la facilidad de su determinacioacuten
Asiacute el peso molecular promedio
viscoso M v se define por
donde a es un paraacutemetro comprendido
entre 05 y 1 que se obtiene por medidas
de viscosidad en disolucioacuten
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS
Los materiales ceraacutemicos son compuestos quiacutemicos o
soluciones complejas que contienen elementos
metaacutelicos y no metaacutelicos Por ejemplo la aluacutemina
(Al2O3) es un ceraacutemico que tiene aacutetomos metaacutelicos (aluminio) y no metaacutelicos (oxiacutegeno)
Debido a sus enlaces ioacutenicos o covalentes los
materiales ceraacutemicos por lo general son duros
fraacutegiles con un alto punto de fusioacuten tienen baja conductividad eleacutectrica y teacutermica buena estabilidad
quiacutemica y teacutermica y elevada resistencia a la
compresioacuten
Ceraacutemicos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA PEROVSKITE La
celda unitaria perovskite se
encuentra en varios ceraacutemicos eleacutectricos importantes como el
BaTiO3 y el SrTiO3 En este tipo
de celda estaacuten presentes tres
clases de iones Si en las
esquinas de un cubo estaacuten los iones de barios los iones de
titanio ocuparaacuten los sitios
centrados en el cuerpo La
distorsioacuten de la celda unitaria produce una sentildeal eleacutectrica lo
que permite que ciertos
titanatos sirvan como
transductores
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA CORINDOacuteN Una de las
formas de aluacutemina Al2O3 tiene la
estructura cristalina del corindoacuten similar a una estructura hexagonal
compacta sin embargo a cada
celda unitaria estaacuten asociados 12
iones de aluminio y 18 de oxiacutegeno
La aluacutemina es un material comuacuten que se utiliza como refractario
aislante eleacutectrico y abrasivo Otros
productos ceraacutemicos incluyendo el
Cr2O3 y Fe2O3 tienen esta estructura
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
ESTRUCTURA DE ESPINEL La estructura
del espinel tiacutepica del MgAl2O4 tiene
una celda unitaria cuacutebica que se puede visualizar como una
formacioacuten de ocho cubos maacutes
pequentildeos En cada uno de estos
menores se localizan iones de
oxiacutegeno en las posiciones normales de una red cuacutebica centrada en las
caras En espinel normal los iones
bivalentes (como el Mg2+) ocupan
sitios tetraeacutedricos y los trivalentes (Al3+) los octaeacutedricos
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS La estructura de los
ceraacutemicos cristalinos
GRAFITO Al grafito una de las formas
cristalinas del carbono algunas
veces se le considera material ceraacutemico aunque el carbono es un
elemento y no una combinacioacuten de
aacutetomos metaacutelicos y no metaacutelicos El
grafito tiene una estructura
hexagonal por capas y se utiliza como material refractario como
lubricantes y como fibras
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS
1) La alumina tiene una celda unitaria hexagonal Los
paraacutemetros de red para la alumina son a= 475A y C=1299 A y
su densidad es de aproximadamente 398 gcm3 iquestCuaacutentos grupos Al2O3 iones Al3+ y iones O2- estaacuten presentes en un prisma
hexagonal con estas dimensiones
2) Calcule el factor de empaquetamiento y la densidad
esperada para el MgAl2O4 si el paraacutemetro de red es 808ordf
Ejercicios
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Algunos materiales ceraacutemicos
contienen enlaces covalentes Un
ejemplo es la forma cristobalita del SiO2 o siacutelice que es una materia
prima importante para los productos
ceraacutemicos La disposicioacuten de los
aacutetomos en la celda unitaria
proporciona la coordinacioacuten adecuada equilibra la carga y
ademaacutes asegura que no se viole la
direccionalidad de los enlaces
covalentes
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Compuestos silicatos Cuando dos
iones Mg2+ estaacuten disponibles para
combinarse con un tetraedro se produce un compuesto Mg2SiO4 o
forserita Los iones Mg2+ satisfacen los
requisitos de carga y equilibran a los
iones SiO44- Los grupos Mg2SiO4 a su
vez producen una estructura cristalina tridimensional De modo
similar los iones Fe2+ pueden
combinarse con los tetraedros de
siacutelice para producir Fe2SiO4 El Mg2SiO4 y el Fe2SiO4 forman una
serie de soluciones soacutelidas conocidas
como olivinas u ortosilicatos Los
compuestos de tetraedros dobles se
llama pirosilicatos
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras de anillo y de cadena Cuando dos veacutertices del tetraedro se
comparten con otros grupos tetraeacutedricos se forman anillos y
cadenas con el tipo de foacutermula
(SiO3)n2n- en la cual indica el nuacutemero de
grupos SiO2-2 de la cadena o del anillo
Gran cantidad de materiales ceraacutemicos tiene esta estructura de metasilicato La
wolastonita (CaSiO3) estaacute constituida
por (MgSiO3) tiene una estructura de
cadena
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
CERAacuteMICOS La estructura de los
silicatos cristalinos
Estructuras laminares (arcillas) Cuando
la relacioacuten OSi resulta en la foacutermula
Si2O5
La caolinita una arcilla comuacuten estaacute
compuesta por laacuteminas de silicato
enlazadas ioacutenicamente a una hoja
compuesta por grupos Al y OH lo que
produce unas plaquetas delgadas de
arcilla en Al2(Si2O5)2(OH)2 contiene dos laacuteminas de silicato que prensan al
aluminio centra y a una capa de OH
Los enlaces entre cada una de estas
plaquetas de arcilla se realizan mediante una combinacioacuten de enlaces ioacutenicos y covalentes Las plaquetas
individuales estaacuten unidas entre siacute por
enlaces de Van der Waals deacutebiles
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