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EJE temático N ° I: ELEMENTOS DE LA TECNOLOGÍA

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EJE temático N ° I: ELEMENTOS DE LA TECNOLOGÍA

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                                                                                             Eje temático N° II: ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

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                                                                                             Eje temático N° II: ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

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Estructura cristalina

La primera clasificación que se puede hacer de materiales en estado sólido, es en función de cómo es la disposición de los átomos o iones que lo forman. Si estos átomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo el modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que es cristalino. Si los átomos o iones se disponen de un modo aleatorio, sin ningún ordenamiento, seria material no cristalino o amorfo.

Esto se debe a que sus átomos ocupan unas posiciones espaciales de equilibrio predeterminadas, y a estas posiciones espaciales de equilibrio las llamamos redes cristalinas.

La distribución atómica en sólidos cristalinos puede describirse mediante una red espacial donde se especifican las posiciones atómicas por medio de una celdilla de unidad que posee las propiedades del metal correspondiente.

En los metales son comunes tres redes cristalinas:

Red cúbica centrada en el cuerpo(BCC)

Red cúbica centrada en la cara(FCC)

Red hexagonal compacta(HC)

En los metales los átomos se ordenan formando redes tridimensionales, ocupando posiciones de equilibrio en los vértices de determinadas formas geométricas.

Los metales de uso industrial más frecuente se cristalizan en tres redes:

-Red cúbica centrada(c.c):hierro, alfa, cromo,etc.

-Red cúbica de caras centradas(c.c.c.): hierro gamma, cobre, etc.

-Red hexagonal compacta(e.c.):magnesio, zinc, cadmio,etc.

RED CÚBICA CENTRADA: Los átomos se hallan dispuestos en los vértices y en el centro del cubo.

Metales que cristalizan en este sistema son, por ejemplo, hierro , cromo , titanio ,molibdeno,etc.

Todos ellos tienen como característica común el ser muy resistentes a la deformación.

RED CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS: Los átomo están dispuestos en los vértices y en los átomos de las caras del cubo.

Los metales se cristalizan en esta red son fácilmente deformables.

RED HEXAGONAL COMPACTA: En esta red, los átomos se sitúan en los vértices en las que los átomos conforman una estructura con forma de un prisma hexagonal.

Algunos metales tienen la característica de que cambian de red de cristalización dependiendo de la temperatura a que se encuentren.

Los factores de empaquetamiento atómico para diferentes estructuras cristalinas pueden determinarse a partir del modelo atómico de esferas rígidas. Algunos metales tienen diferentes estructuras cristalinas a diferentes rangos de presión y temperatura, este fenómeno se denomina alotropía.

ORDENAMIENTOS

Los niveles del arreglo atómico en los materiales: los gases inertes no tienen un orden regular en sus átomos. Algunos materiales, incluyendo el vapor de agua y el vidrio, tienen orden en una distancia muy corta.

Estructura Cristalina: se refiere al tamaño, la forma y la organización atómica dentro de la red de un material.

Red: Conjunto de puntos, conocidos como puntos de red, que están ordenados de acuerdo a un patrón que se repite en forma idéntica.

Puntos de Red: Puntos que conforman la red cristalina. Lo que rodea a cada punto de red es idéntico en cualquier otra parte del material.

Celda Unitaria: es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red.

Redes espaciales de Bravais: 14 celdas unidad estándar pueden describir todas las unidades reticulares posibles de puntos equivalentes en una red tridimensional.

Parámetro de Red: Longitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos entre estos lados.

Número de Coordinación: el número de átomos que tocan a otro en particular.

Estructura cúbica centrada: Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio,etc.

Estructura cúbica centrada en el cuerpo: Cada átomo de la estructura, está rodeado por ocho átomos adyacentes y los átomos de los vértices están en contacto según las diagonales del cubo
Estructura cúbica centrada en las caras: Cada átomo está rodeado por doce átomos adyacentes y los átomos de las caras están en contacto.

Estructura hexagonal compacta: Esta estructura está determinada por un átomo en cada uno de los vértices de un prisma hexagonal, un átomo en las bases del prisma y tres átomos dentro de la celda unitaria.

IMPERFECCIONES EN LAS REDES CRISTALINAS

Las imperfecciones se encuentran dentro de la zona de ordenamiento de largo alcance (grano) y se clasifican de la siguiente manera:

Defectos Puntuales (puntos defectuosos): Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos.Pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento.

Huecos: Un Hueco se produce cuando falta un átomo en un sitio normal.

Defectos intersticiales: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina.

Defectos sustitucionales: Se crea un defecto sustitucional cuando se reemplaza un átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición original.

Importancia De Los Defectos Puntuales: Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes, distorsionando la red a lo largo de quizás cientos de espaciamientos atómicos, a partir del defecto.

Defectos Lineales (Dislocaciones): Las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma sería perfecta. Generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidificación del material o al deformarlo.
Dislocación de tornillo: La dislocación de tornillo se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, torciendolo y desplazando un lado del corte sobre el otro la distancia de un átomo.

Dislocaciones de borde: Una dislocación de borde se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, separándolo y rellenando parcialmente el corte con un plano de átomos adicional.

Dislocaciones mixtas: Las dislocaciones mixtas tienen componentes tanto de borde como de tornillo, con una región de transición entre ambas.

Importancia De Las Dislocaciones: Aunque en algunos materiales cerámicos y polímeros puede ocurrir deslizamiento, el proceso de deslizamiento es de particular utilidad para entender el comportamiento mecánico de los metales.

En primer término, el deslizamiento explica por qué la resistencia de los metales es mucho menor que el valor predecible a partir del enlace metálico.

En Segundo lugar, el deslizamiento le da ductilidad a los metales.

En tercer lugar, controlamos las propiedades mecánicas de un metal o aleación al interferir el movimiento de las dislocaciones.

En cuarto lugar, se puede prevenir el deslizamiento de las dislocaciones achicando el tamaño de grano o introduciendo átomos de diferente tamaño, que son las aleaciones.

En los materiales se encuentran enormes cantidades de dislocaciones. La densidad de dislocaciones, o la longitud total de dislocaciones por unidad de volumen, generalmente se utiliza para representar la cantidad de dislocaciones presentes.

Defectos planares(superficies externas y límites de granos)

Modelo de cristalización en la solidificación de metales

La estructura final resultante está constituida por un agrupamiento de granos o cristales de forma irregular pero guardando cada uno una orientación fija y bien determinada.

Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas distintas, y la superficie externa de un material. En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta. Cada átomo de la superficie ya no tiene el mismo número de coordinación y se altera el enlace atómico,la superficie puede ser muy áspera.

Cristalización

El crecimiento de los cristales que se inicia en los centros o núcleos de cristalización en el metal líquido, no puede ser uniforme a causa de los diferentes factores de la composición del metal, la velocidad de enfriamiento y las interferencias que se producen entre ellos mismos durante el proceso de crecimiento.

Límites De Grano: La microestructura de la mayor parte de los materiales está formada por muchos granos. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico.La frontera de grano ,es una zona estrecha en la cual los átomos no están correctamente espaciados
FIGURA

Los átomos cerca de las fronteras de los tres granos no tienen un espaciamiento o arreglo de equilibrio.

Un método para controlar las propiedades de un material es controlando el tamaño de los granos. Reduciendo el tamaño de éstos se incrementa su número y, por tanto, aumenta la cantidad de fronteras de grano.

ENFRIAMIENTO

DE LOS METALES PUROS

Los metales puros y los Eutécticos, solidifican a temperatura constante, la solidificación se inicia cuando el metal líquido se enfría hasta su punto de solidificación, luego la temperatura se mantiene uniforme hasta que la solidificación concluye, mientras esta transformación ocurre el calor latente de solidificación que desprende el metal, mantiene la temperatura constante. Si este se enfriase en completa uniformidad y estuviese exento de impurezas de cualquier índole, podría generarse una cristalización a partir de cristales al azar dentro del líquido (Nucleación).

DE ALEACIONES

Se necesitan dos condiciones para el crecimiento del sólido primero, que el crecimiento requiere que el calor latente de fusión, que se disipa durante la solidificación del líquido, sea eliminado de la interfase sólido líquido. Segundo, y a diferencia de los metales puros, debe ocurrir la difusión tal de manera que durante el enfriamiento las composiciones de las fases sólida y líquida sigan las curvas de sólidus y de líquidus.Para poder conseguir esta estructura final en equilibrio, la velocidad de enfriamiento debe ser extremadamente lenta.

POLIMORFISMO Y ALOTROPÍA

Elementos y compuestos que tienen diferentes estructuras cristalinas en distintos rangos o condiciones de temperatura y presión, esto se debe a un cambio en el tipo de cristal que forman los átomos.

Caso HIERRO (tratamiento térmico). Este material cambia su arreglo atómico entre CCaC a CCC y su número de coordinación cambia de 12 y 8. Esto ocurre a 910 ºC. Su temperatura de fusión es a 1500 ºC.

El caso del carbono, que permite que Haya dos estructuras diferentes, como es el caso del carbón y del diamante.

La importancia de esto es que si el hierro es calentado, cambia drásticamente su volumen, achicandose.

Otros Ejs.: Azufre, Estaño, Cloruro de cesio, Sulfuro de zinc Comparación expansión sólidos polimorfos y no polimorfos.

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                                                                                                                       TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

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                                                                                                                       TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

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Se entiende como tal al conjunto racionalmente ordenado de conocimientos científicos, empíricos, técnicas y tecnologías bajo la forma de especificaciones de producción, que permiten la fabricación de materiales de todo tipo.

Está centrada en los aspectos esenciales de los materiales, para entender la manera en la que se emplean o deberían emplearse, para predecir el comportamiento que estos mismos pueden presentar.

Se  utiliza  para poder tener en claro algunas ideas que nos valdrán para tener un conocimiento más clara de los materiales, así  como también nos  permitirá familiarizarnos con la industria del acero sus tratamientos y aplicaciones a la industria y a la vida diaria:

Historia de los materiales y su evolución a través de los años, ha ejercido cierta influencia en las sociedades de todo el mundo, la clasificación de los materiales como son los metales, cerámicos y los plásticos, así también las propiedades físicas y químicas de dichos materiales y el cómo conocerlas permite trabajar de una manera más eficiente, también las estructuras cristalinas, el cómo conocer la estructura interna de los materiales permite darles un mejor uso y que puedan ser de mejor aprovechamiento, así  también  los tratamientos térmicos que dichos materiales pueden recibir con el objeto de darles una mayor durabilidad y mejor aplicaciones a la industria, otro aspecto de gran importancia son  los aceros y su uso y aplicaciones a lo largo del tiempo ha evolucionado y mejorado, algo que no podría faltar son los enlaces químicos y cómo conocerlos nos da ideas sobre el uso y aplicación de los materiales.

La  gráfica de Hierro Carburo de Hierro, se usa en los procesos de fundición del acero, dicha gráfica es de singular uso, ya que en ella se pueden observar todos los procesos de fundición del acero y de cómo este se trabaja, también las estructuras de la austenita, ferrita y otras, en ellas se puede observar los granos que distingue a una de la otra. Todas las industrias hoy buscan mejorar los proceso y poder rehusar las mermas, todo como una cultura de reciclaje y mejora de la industria, la economía y el bienestar de la comunidad en conjunto; esta asignatura trata de darnos esas ideas para ser más consciente y además para mejorar nuestro conocimiento de la ciencia y la tecnología de los materiales, debido a que no podemos quedarnos ausentes de los cambios que en nuestra industria se generan momento a momento.

Tecnología de los materiales en la electromecanica

La tecnología de los materiales  en la  electromecánica es la responsable de realizar el análisis, diseño, desarrollo, manufactura y mantenimiento de sistemas y dispositivos electromecánicos, y son estos los que combinan partes eléctricas y mecánicas para conformar su mecanismo.

Ejemplos de estos dispositivos son los motores eléctricos usados en los aparatos domésticos, tales como: ventiladores, refrigeradores, lavadoras, secadores de cabello.

Todos estos aparatos se clasifican en partes eléctricas y mecánicas.Esta clasificación no implica que las partes eléctricas y mecánicas puedan ser siempre físicamente separadas y operadas independientemente una de otra. La energía es recibida o suministrada por estas partes dependiendo de la naturaleza y aplicación del equipo particular.

Las nuevas tecnologías en el mundo y los técnicos electromecanica

Las nuevas tecnologías se enmarcan históricamente en la revolución científico-técnica, que nació con la creciente importancia de las actividades de investigación científica y el desarrollo tecnológico en la innovación de nuevos productos y procesos productivos. El enfoque de conjunto permitió diferenciar los impactos de las nuevas tecnologías: así como la informática incide tanto en el consumo como en las actividades administrativas, en cambio la industria la automatización cambia.

La capacidad de generar ciencias y tecnologías propias debe ser parte integral de la cultura,lo que implica: controlar nuestros medio de difusión pues las telecomunicaciones se convierten en el medio de mayores impactos, positivos o negativos de la, cultura. La clase de materiales es clave en innovaciones temporales.

Cronología de la tecnología de materiales

III milenio adC - Invención de la metalurgia del cobre para ornamentación.

II  milenio adC - El bronce se usa en la fabricación de armas.

Siglo XVI adC - Los hititas desarrollan la metalurgia del hierro.

Siglo XIII adC - Invención del acero cuando el hierro y el carbón son combinados apropiadamente.

Siglo X adC - Vidrio en Greci y Siria.

Años 50 adC - Técnicas de soplado en vidrio en Fenicia.

Años adC - El arquitecto romano Vitruvio describe el método de obtención del hormigón.

Siglo VIII - La porcelana es inventada en China.

1450 - El cristal es inventado por Angelo Barovier.

1590 - Las lentes de vidrio son usadas por primera vez en microscopios y telescopios en los Países Bajos.

1738 - William Champion patenta un proceso para la producción de zinc por destilacion del carbon.

1779 - Bry Higgins consigue una patente de cemento hidráulico para uso como escayola.

1799 - Alessandro Volta crea la primera batería eléctrica basada en cobre y zinc.

1821 - Thomas Johann Seebeck inventa el termopar.

1824 - Joseph Aspin patentó el cemento portland.

1825 - Hans Christian Orsted produce aluminio metálico.

1839 - Charles Goodyear inventó la vulcanización de caucho.

1839 - Jacques Daguerre y William Fox Talbot inventa la fotografía a base de placas de plata.

1855 - Proceso Bessemer para la producción masiva de acero.

1861 - James Clerk Maxwell muestra la fotografía en color.

1883 - Charles Fritts construye las primeras placas solares usando obleas de selenio.

1902 - August Vernbeuil desarrolla un proceso para la fabricación de rubíes sintéticos.

1909 - Leo Baekeland crea la Baquelita, plastico solido termoestable.

1911 - Descubrimiento de la superconductividad.

1924 - Pyrex, un cristal con un coeficiente de expansión a muy baja temperatura.

1931 - Julius Nieuwland crea el neopreno, un caucho sintético.

1931 - Wallace Carothers crea el Nylon.

1938 - Roy Plunlett descubre el proceso para hacer politetrafluoroetileno, mejor conocido teflon.

1947 - Primer transistor de germanio.

1947 - Primera aplicación comercial de una cerámica piezoeléctrica en una aguja de fonógrafo.

1951 - Visión de átomos individuales por vez primera usando el microscopio.

1953 - Karl Ziegler descubre la catálisis metálica con la que mejorar la resistencia de polímeros de polietileno.

1954 - 6% de eficiencia en placas solares de silicio en los laboratorios Bell.

1968 - Pantalla de cristal líquido desarrollado por RCA.

1970 - Invención de la Fibra óptica por Corning.

Tipos de materiales

Existen dos grupos:

Grupo A: Son los que se encuentran fácilmente en la naturaleza como: madera, cuero, lana, carbón,etc.

Grupo B: Son los artificiales son fabricados por la mano del hombre, por eje: plastico, vidrio, papel, etc.

Clasificación de los materiales según su origen

Materiales naturales.: Son aquellos que se encuentran en la naturaleza, las personas utilizamos materiales naturales con diferente origen:mineral, vegetal o animal.

Clasificación de los materiales

Podemos clasificar los materiales en dos grupos: materias primas y materiales de uso técnico.

Ciencia y tecnología de los materiales

La ciencia e tecnólogos de los materiales están íntimamente ligados ya que el conocimiento y procesos de fabricación de los materiales, posibilita la conversión de los mismos para su uso industrial.

Hasta hace relativamente poco tiempo el material de interés tecnológico era el metal, los cuales han perdido parte de hegemonía a favor de materiales tradicionales.

Estas mismas tecnologías posibilitan la fabricación de materiales compuestos y evolución de nuevos materiales. Existen dos posibilidades para la síntesis de un nuevo material, tratar de encontrar otros materiales haciendo composiciones con los mismos o utilizar nuevas técnicas para variar los existentes.

Clasificación de los materiales

Se hace necesario clasificar los materiales en función de sus propiedades. Tradicionalmente los materiales se han dividido en estructurales o funcionales aunque esta clasificación no está perfectamente delimitada.

Materiales estructurales

Son aquellos basados en sus propiedades mecánicas para su uso:

Metales

El estudio de los metales constituye una rama científica llamada metalurgia. Esta se divide en dos grandes áreas Férreos y no Férreos. Hay día sigue siendo la rama más importante dentro de los materiales estructurales dado las propiedades de los metales que le confieren características únicas.

Cerámicas Técnicas

Su base suele ser elementos inorgánicos de estructura cristalina que pueden ser óxidos, carburos, silicatos, etc., utilizándose tanto como materiales estructurales como funcionales.

Ventajas:

Estabilidad a alta temperatura, alta resistencia frente a esfuerzos de compresión, excelente dureza, resistencia a la corrosión, poco peso específico, amplia gama de conductividades térmicas y eléctricas.

Desventaja:

Alto costo, fragilidad, poca resistencia a cambios bruscos de temperatura.

Polímeros

Se han fabricado polímeros con una resistencia específica mayor que el acero y otros con una conductividad más alta que la del cobre.En general los polímeros son menos rígidos y resistentes que los metales pero son suficientes para muchas aplicaciones.

Materiales Compuestos

Un material compuesto consta de al menos dos materiales diferentes.

En estos materiales el componente mayoritario hace de matriz y el minoritario de reforzante. Según la matriz los materiales compuestos pueden ser de matriz polimérica, metálica o cerámica. Dependiendo en la forma y distribución del reforzante pueden ser de refuerzo continuo o discontinuo. Los materiales compuestos de matriz polimérica son los de mayor demanda y más desarrollo tecnológico.

Materiales funcionales

Son aquellos que se utilizan según sus propiedades funcionales como propiedades químicas, magnéticas y optoelectrónicas. Su precio suele ser alto y su uso y clasificación son:

Los basados en propiedades químicas

Los basados en propiedades magnéticas

Los basados en propiedades optoelectrónicas

Competencia y líneas futuras

La aparición de nuevos materiales lleva implícito un ciclo con varias etapas que son: introducción, crecimiento, madurez y declive. Los más importantes para el próximo futuro son lo que están en la etapa de crecimiento. Estos deben de cubrir una serie de necesidades que hoy día se demanda como es la disminución de peso sin perder resistencia.Las  propiedades de los materiales dependen en gran parte de su estructura. Para poder predecir propiedades en función de su estructura se estudia la ciencia de los materiales.

Las  principales estructuras son:

Atómica: estudio de las partículas atómicas de la corteza y el núcleo.

Molecular: unión de los átomos siendo el carácter que determina la intensidad de la misma.

Cristalina:union de moleculas o atomos para formar sólidos.En algunos casos se necesita un microscopio para observar su estructura.

Estructura atómica

Las propiedades de los materiales dependen de la naturaleza de sus átomos, formado este por un núcleo y una nube de electrones.

Estructura electrónica

El electrón es una partícula de masa muy pequeña con una carga negativa. Los electrones se posicionan en el átomo según unas probabilidades por capas y orbitales.

La tabla periódica

Se trata de una ordenación de los distintos elementos por orden o según su número atómico. En dicha tabla las líneas horizontales o períodos corresponde a las capas cuánticas, mientras que las columnas o grupos corresponde al número de electrones.

Descripción física de la tabla periódica

La tabla periódica de 18 columnas que constituyen 16 grupos, siete hileras que llamamos periodos. De estos periodos hay uno, el primero, que consta de dos elementos, dos son periodos cortos de ocho elementos y otros cuatro serán largos, el tercero y el cuarto de dieciocho elementos, el sexto con treinta y dos y el septimos.

La tabla se enumera en grupos y periodos.

Los elementos del grupo: IIIA se llaman metales térreos.

IV A carbón ideos

V A nitrógeno

VIA anfígenos

VIIA halógenos

Elementos de la tabla periódica relacionados con el comportamiento eléctrico

Grupo III:B, AI, In y Ti; el único No metal es B, el más usado es Al.

Grupo IV: C, Si, Ge, Sn, y Pb;el C es no metal y es aislante, Si y Ge semiconductores.

Grupo V:N, P, As, Sb, y Bi; el Bi se utiliza en su forma metálica como un aleación usado para irrumpir circuitos eléctricos.

Grupo VI: O, S, Se, Te y Po.

Elementos de transición: son metales típicos con todas sus características y propiedades.

Mo y W son muy utilizados, papalmente W debido a su dureza, alto PF e incandescencia. Muy

utilizados también como excelentes conductores Ag, Cu y Au.