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UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL Y MECNICA
CARRERA DE INGENIERA MECNICA
INGENIERA DE MATERIALES II
RESUMEN WILLIAM SMITH 4 ed.
CAPTULO 1 8
Docente: Ing. Henry Vaca
Nombre: Santiago Escobar
Semestre: Quinto
Paralelo: A
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INGENIERA DE MATERIALES
CAPTULO 1: MATERIALES E INGENIERA.
Materiales son sustancias que constituyen cualquier cosa. Los
materiales ms comunes son:
madera, hormign, ladrillo, acero, plstico, vidrio, caucho,
aluminio, cobre y papel.
Los materiales pueden ser modificados gracias a los Ingenieros
que deben conocer su
estructura y propiedades desarrollando mtodos para su
proceso.
TIPOS DE MATERIALES.
Est dividido en cinco grupos:
1. Materiales Metlicos
2. Polmeros.
3. Cermicos.
4. Compuestos.
5. Electrnicos.
A estos materiales se los puede diferenciar por sus propiedades
mecnicas, fsicas y
elctricas.
1. Materiales Metlicos.
Formados fundamentalmente de elementos metlicos siendo buenos
conductores
trmicos y elctricos, son dctiles a temperatura ambiente; tambin
pueden contener
elementos no metlicos.
Estos metales y aleaciones se dividen en:
1.1. Metales y aleaciones ferrosas: Contienen hierro en su mayor
parte como
aceros y hierros fundidos.
1.2.Metales y aleaciones no ferrosas: Contienen hierro en
pequeas cantidades
como no las pueden tener.
2. Materiales Polimricos.
Contienen cadenas de molculas orgnicas o redes. Los materiales
polimricos son
malos conductores de electricidad.
3. Materiales cermicos.
Materiales inorgnicos formados por una combinacin de elementos
metlicos y no
metlicos, tienen fragilidad mecnica.
Los materiales cermicos tienen la ventaja en varias aplicaciones
debido a su bajo
peso, alta resistencia y dureza, resistencia al calor y a la
humedad,reducida friccin
y propiedades aislantes.
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4. Materiales compuestos.
Son la mezcla de dos o ms materiales dndoles caractersticas
especficas y
propiedades deseadas.
5. Materiales electrnicos.
Su principal componente es el silicio y son importantes en
ingeniera avanzada.
Dentro de estos materiales se encuentran productos como satlites
de comunicacin,
relojes digitales y robots de soldadura.
CAPTULO 2: Estructura atmica y enlace.
Los tomos estn constituidos por tres partculas subatmicas:
protones, neutrones y
electrones. Los electrones externos determinan propiedades
elctricas, mecnicas, qumicas
y trmicas de los tomos.
El nmero atmico indica el nmero de protones q hay en su
ncleo.
La masa atmica de un elemento es la masa en gramos de
6.023x1023
del elemento.
La energa y movimiento de un electrn se caracteriza por cuatro
nmeros cunticos:
Nmero cuntico principal n: Representa el nivel electrnico
principal del electrn, estos
valores son positivos comprendidos entre 1 y 7. Mientras mayor
sea el nmero cuntico
principal de un electrn mayor es su energa.
Nmero cuntico secundario l: Especifica el subnivel y subcapa
donde se determina si el
nivel energtico est ocupado. Las letras s, p, d y f designan los
subniveles energticos l
as:
l = 0 1 2 3
l = s p d f
Nmero cuntico magntico m1: Especifica la orientacin espacial de
un orbital atmico e
influye muy poco en la energa de un electrn.
Nmero cuntico de spin electrnico ms: Especifica la direccin en
sentido a las
manecillas del reloj y en sentido contrario entre las dos
direcciones de spin permitidas de
un electrn que gira en torno a su propio eje.
El principio de exclusin de Pauli establece que dos electrones
no pueden tener sus cuatro
nmeros cunticos iguales.
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Tamao atmico: El tamao atmico de un elemento aumenta conforme se
le aaden
niveles sucesivos al incrementar el nmero cuntico principal.
Configuraciones electrnicas de los elementos: Describe cmo los
electrones estn
ordenados en orbitales en un tomo Los superndices sobre las
letras de orbital los
electrones que contiene cada orbital.
Tabla de configuraciones electnicas de los elementos.
Gases nobles. Son ms estables y menos reactivos.
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Elementos electropositivos y electronegativos. Los elementos
electropositivos son
metlicos. Se conoce como numero de oxidacin positivo al nmero de
electrones cedido
por el tomo.
Los elementos electronegativos son no metlicos. Se conoce como
nmero de oxidacin
negativo cuando al nmero de electrones aceptados por el
tomo.
Electronegatividad. Muestra la capacidad de un tomo para atraer
hacia s a los electrones
de enlace. Los elementos ms electropositivos son los metales
alcalinos y los elementos
ms electronegativos son solamente ciertos elementos.
TIPOS DE ENLACES ATMICOS Y MOLECULARES.
Enlaces atmicos primarios.
Desarrollan grandes fuerzas interatmicas y se divide en tres
clases:
1. Enlaces inicos. Estan formados por tranferencia de uno o ms
electrones de un
tomo electropositivo a un tomo electronegativo y son no
direccionales.
2. Enlaces covalentes. Se forman por la comparticin de par de
electrones de sencillos
orbitales y son direccionales
3. Enlaces metlicos. Slo se dan entre tomos metlicos y son no
direccionales.
Enlaces atmicos secundarios.
Formados por atraccin electrosttica entre dipolos elctricos y se
dividen en:
1. Enlaces de dipolo permanente. Son enlaces dbiles que se
forman entre molculas
que tienen dipolos permanentes.
2. Enlaces de dipolo oscilante. Enlaces dbiles de dipolo
elctrico se producen entre
tomos y se denomina oscilante ya que la densidad electrnica est
cambiando
continuamente.
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CAPTULO 3: Estructuras y geometra cristalina.
PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METLICAS.
Las estructuras cristalinas ms comunes son:
1. Cbica centrada en el cuerpo (BCC).
2. Cbica centrada en las caras (FCC).
3. Hexagonal compacta (HPC).
Los planos de empaquetamiento compacto se refieren a los planos
donde los tomos estn
empaquetados lo ms junto posible. Las direcciones en que se
encuentran en contacto lo
ms posible se llaman direcciones de empaquetamiento
compacto.
Para diferenciar estructuras cristalinas en los factores de
empaquetamiento atmico se
determinan desde el modelo atmico de esferas rgidas.
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Se denomina polimorfismo a los metales que tienen a diferentes
estructuras cristalinas en
diferentes rangos de presin y temperatura.
ANLISIS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS.
Se puede determinar las estructuras cristalinas de slidos
mediante tcnicas de difraccin de
rayos x, tambin se lo puede realizar por el mtodo de muestra en
polvo.
CAPTULO 4: Solidificacin, imperfecciones cristalinas y difusin
en slidos.
Los metales y aleaciones en su mayor parte son fundidos y
moldeados. En la solidificacin
del metal en el molde donde se crea un metal de fundicin
solidificado con estructura
granular policristalina.
En todos los materiales cristalinos reales estn presentes
imperfecciones cristalinas, los
espacios o disposiciones atmicas se explican en trminos de la
agitacin trmica de los
tomos los cuales se consideran defectos reticulares de
equilibrio.
Las dislocaciones son defectos de no equilibrio e incrementan la
energa interna del metal.
Las imperfecciones en la superficie de metales son los lmites de
grano que se crean por
cristales por diferentes orientaciones al juntarse unos con
otros durante la solidificacin.
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En los slidos metlicos se produce la difusin atmica
principalmente por espacios o
mecanismo de sustitucin donde los tomos casi de igual tamao se
desplazan utilizando
las posiciones atmicas vacantes y por mecanismo intersticial los
tomos de pequeo
tamao se mueven a travs de los espacios intersticiales.
Leyes de Fick:
1. La difusin tiene lugar ya que existe diferencia en una
sustancia de concentracin
difundiendo entre ambos lados del material y se aplica en
condiciones estacionarias
que no cambian con el tiempo.
2. Se aplica en condiciones de estado no estacionario.
La velocidad de difusin depende fuertemente de la
temperatura.
CAPTULO 5: Propiedades elctricas de los materiales
En el modelo de conduccin elctrica en los metales pueden moverse
libremente los
electrones externos de valencia entre los centros de iones
positivos de la red metlica. Los
electrones libres alcanzan una velocidad de corriente dirigida
al aplicarles un potencial
elctrico. La corriente elctrica est constituida por el
movimiento de electrones y su carga
elctrica asociada en un metal.
Para la conduccin elctrica en metales el modelo de bandas de
energa los electrones de
valencia de los tomos metlicos interaccionan para formar bandas
de energa, como estas
bandas de energa se superponen dando bandas de energa
parcialmente llenas lo cual
requerir solamente poca energa para excitar los electrones ms
energticos para que pasen
a ser conductores. A travs de los enlaces inicos y covalentes
estn atrados
frecuentemente los electrones en los aislantes, y no son libres
para conducir la electricidad
a no ser que estn muy excitados.
Para un aislante el modelo de bandas consiste en una banda de
valencia inferior llena y una
banda de conduccin superior vaca.
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Los semiconductores intrnsecos tienen entre las bandas de
valencia y de conduccin una
separacin energtica relativamente pequea.
Los semiconductores pueden ser de tipo n(negativos) porque
tienen electrones como
portadores mayoritarios; los de tipo p(positivos) por carencia
de electrones tienen huecos
como portadores mayoritarios.
CAPTULO 6: Propiedades macnicas de los metales
Mediante diversos mtodos de manufactura son procesados los
metales y aleaciones.
El metal se deforma elsticamente y despus plsticamente cuando se
aplica una tensin
uniaxial sobre una larga barra de metal produciendo una
deformacin permanente. La
dureza de un metal puede resultar de importancia en ingeniera
donde las escalas de dureza
en la industria son de dos tipos:
1. Rockwell B y C
2. Brinell (BHN)
En el proceso de deslizamiento da lugar a la deformacin plstica
de los emtales
involucrando un movimiento de las dislocaciones. El
deslizamiento tiene lugar sobre los
planos ms compactos y en direcciones de mximo empaquetamiento
constituyendo un
sistema de deslizamiento. Son ms dctiles los metales con un alto
nmero de sistemas de
deslizamiento que aquellos con solo unos pocos sistemas de
deslizamiento.
Al proporcionar barreras al movimiento de dislocacin los lmites
de grano a baja
temperatura usualmente endurecen los metales. Bajo algunas
condiciones de deformacin a
alta temperatura los lmites de grano se vuelven regiones de
debilidad debido al
deslizamiento del lmite de grano.
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Se produce un aumento en la resistencia y disminucin de la
ductilidad cuando el metal se
endurece por deformacin plsticamente por trabajo en fro, este
endurecimiento puede
eliminarse proporcionando al metal un tratamiento trmico de
recocido. Al ser calentado el
metal endurecido lentamente hasta una temperatura por debajo de
su punto de fusin da
lugar un proceso de recuperacin, recristalizacin y crecimiento
del grano donde el metal se
ablanda. Para conseguir grandes reducciones en la seccin de un
metal sin fracturase
obtiene mediante la combinacin de endurecimiento por deformacin
y recocido.
El metal se fractura debido a la fatiga si est sometido a una
tensin cclica y compresin
de suficiente magnitud. En los metales la fractura por tensin
puede clasificarse segn los
tipos de dctil, frgil y dctil-frgil.
CAPTULO 7: Propiedades pticas y materiales superconductores
La luz visible est formada de bandas de color,donde la regin
ultravioleta menor
porcentaje que la regin infraroja. Los fotones constituyen un
comportamiento de onda y
constan de partculas lo que se considera como una entidad.
REFRACCIN DE LA LUZ.
Pierden algo de energa los materiales transparentes cuando se
transmiten los fotones de
luz. Lo cual reduce la velocidad de la luz donde el rayo cambia
de direccin.
Los metales reflejan u absorben fuertemente la radiacin ya que
en los metales la banda de
conduccin se superpone a la banda de valencia. La cantidad de
energa absorbida por los
metales depende de la estructura electrnica de cada metal.
En una superficie de vidrio la reflexin de luz es muy pequea que
depende principalmente
del ndice de refraccin de luz normal.
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En los plsticos como el poliestireno, metacrilato y
policarbonato son transparentes aunque
hay regiones cristalinas donde tienen un mayor ndice de
refraccin que las regiones no
cristalinas.
La luminiscencia es el proceso donde una sustancia absorbe
energa y luego
espontneamente emite radiacin en el espectro visible o cercano a
ste. La luminiscencia
se produce por materiales fosforescentes que absorben
radiaciones de onda corta y alta
energa donde emite espontneamente radiacin luminosa de longitud
de onda ms larga y
energa ms baja.
Tipos de lser.
El lser de rub no es muy usado actualmente por la dificultad al
fabricar las barras de
cristal.
El lser de neodimio-YAG emite un infrarojo cercano a una
longitud de onda con poca
potencia continua donde tiene la ventaja de gran conductividad
trmica para eliminar el
exceso de calor.
Lser de dixido de carbono Funciona por colisiones electrnicas
que excitan a las
molculas de nitrgeno y al volver a niveles de energa ms bajos
emiten radiacin laser.
Son utilizados para cortar soldar y tratamientos trmicos
localizados del acero.
MATERIALES SUPERCONDUCTORES
Al descender bruscamente hasta un valor casi inapreciable se los
conoce como materiales
superconductores. La temperatura por debajo de la resistividad
elctrica de un material se
aproxima a la del cero absoluto se llama temperatura crtica, y
si est por encima de esta
temperatura al material se le llama normal.
Propiedades magnticas de los superconductores
Un material retornar a su estado normal cuando a un campo
magntico fuerte se aplica en
estado superconductor. El campo magntico necesario para
restablecer la conductividad
elctrica normal se llama campo crtico.
CAPTULO 8: Diagramas de fase
La ecuacin que permite calcular el nmero de fases llamada regla
de las fases de Gibbs es:
P + F = C + 2
Donde P = nmero de fases que coexisten en un sistema dado
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C = nmero de componentes del sistema
F = grados de libertad
Una mescla de dos metales se denomina aleacin binaria y
constituye un sistema de dos
componentes debido a que cada elemento metlico de una aleacin se
considera como un
componente por separado.
Se denomina sistemas isomorfos debido a que slo existe un tipo
de estructura cristalina
para todas las composiciones de los componentes solubles entre s
tanto en estado slido
como lquido.
Las reglas de solubilidad de slidos de Hume - Rothery:
1. La estructura cristalina de cada elemento de la solucin slida
debe ser la misma-
2. Tamao de los tomos de cada uno de los dos elementos no debe
diferir en ms de
un 15 por 100.
3. Los elementos no deben formar compuestos entre s; es decir no
debera haber
diferencias apreciables entre las electronegatividades de ambos
elementos.
4. Los elementos deben tener la misma valencia.
En la regla de la palanca se calcula los porcentajes en peso de
las fases en las regiones
bifsicas de un diagrama de fases en equilibrio binario.
Las ecuaciones de la regla de la palanca se obtienen usando
balances de peso.
Tratamiento trmico de homogenizacin.
Para eliminar estructura segregada los lingotes recin moldeados
o piezas colocadas se
calientan a temperaturas elevadas para acelerar la difusin en
estado slido.
SISTEMAS DE ALEACIONES PERITCTICAS BINARIAS.
Esta reaccin suele estar presente comnmente como parte de
diagramas binarios de
equilibrio ms complicados particularmente si los puntos de fusin
de los dos componentes
son muy diferentes.
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SISTEMAS MONOTCTICOS BINARIOS.
La fase lquida se transforma en una fase slida y en otra lquida
segn:
Otras reacciones invariantes que se presenta en sistemas
binarios son la eutectoide y la
peritectoide. La eutctica y la eutectoide se asemejan en que se
forman dos fases slidas a
partir de una fase de enfriamiento, donde la reaccin eutectoide
la fase en descomposicin
es slida mientras que en la reaccin eutctica es lquida.
DIAGRAMAS DE FASES TERNARIOS.
Tienen tres componentes, las composiciones de los diagramas de
fases ternarios se
constituyen normalmente utilizando como base un tringulo
equiltero.
Los diagramas de fases ternarios con una base de composiciones
de forma triangular
normalmente se constituyen en una presin constante. El diagrama
donde se representa
uniformemente a lo largo de todo el diagrama se llama seccin
isotrmica. Donde puede
construirse una figura con la temperatura en un eje vertical y
base triangular de
composiciones para mostrar el rango de temperaturas a
composiciones variables.
Los diagramas de fases son representaciones grficas de las fases
que estn presentes en un
sistema de aleaciones a diversas temperaturas, presiones y
composiciones.
BIBLIOGRAFA:
SMITH, William F. (1998). FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E
INGENIERA
DE MATERIALES. Pg 1 316. Espaa: McGRAW-HILL.