Estructura y Propiedades de los Materiales

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Estructura Cristalina

Nivel 1: Estructura Atómico-Molecular

Nivel 2: Estructura Cristalina – No Cristalina

Nivel 3: Microestructura

Nivel 4: Macroestructura

Sólido cristalino (orden de corto y largo alcance).

Sólido amorfo (orden de corto alcance).

Celda Unitaria

Define la estructura cristalina (geometría y posición de los átomos en ella). Definida por 6 parámetros reticulares:

  • Longitud de las Aristas: a, b, c.
  • Ángulos: alfa, beta, gamma.
  • FCC: cúbica centrada en las caras.
  • BCC: cúbica centrada en el cuerpo.
  • HCP: hexagonal compacta.

Un elemento (alotropía) o sustancia (polimorfismo) puede adoptar distintas estructuras cristalinas según las condiciones de Temperatura y Presión.

Intersticios

  • Espacios libres (no ocupados por los átomos) en las redes cristalinas.
  • Según su geometría pueden ser: Octaédricos y Tetraédricos.

Defectos

Imperfecciones Cristalinas

Defecto Cristalino: Es una irregularidad en la red en la cual una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico.

Tipos de Defectos

  1. Defectos Puntuales.
  2. Defectos Lineales.
  3. Defectos Superficiales.

Vacante: Posición atómica desocupada en la red.

Autointersticial: Átomo desplazado que ocupa un intersticio de la red > Gran distorsión en la red. Menos probable.

Condiciones de Hume-Rothery

  1. Δr (radio atómico).
  2. Proximidad en la tabla periódica (Electronegatividades similares).
  3. Misma estructura cristalina.
  4. Valencia (Un metal presenta mayor tendencia a disolver a otro de mayor valencia que a uno de menor valencia). Si no se cumple una o más de las reglas de Hume-Rothery solo es posible obtener solubilidad parcial.

Dislocaciones de Borde

Originan una distorsión en la red cristalina en torno a una línea de átomos desajustados.

Discrepancias entre Resistencia Teórica y Resistencia Experimental

El valor experimental de la resistencia que opone un metal a la deformación plástica es aprox. 10.000 veces inferior al valor teórico. Los materiales de ingeniería presentan densidades de dislocaciones muy altas, del orden de 10^6 a 10^8 líneas de dislocación/cm^2 >> La deformación plástica resulta del movimiento de dislocaciones en respuesta a la tensión aplicada.

Sistemas de Deslizamiento

Las dislocaciones no se mueven con la misma facilidad sobre todos los planos y direcciones cristalográficos.

Plano de deslizamiento + Dirección de deslizamiento = Sistema de deslizamiento.

Dislocaciones y Mecanismos para Incrementar la Resistencia Mecánica

  • Dificultar el movimiento de las dislocaciones: Mediante dispersión de partículas muy finas (Endurecimiento por precipitación).
  • Bloqueo de dislocaciones: Anclar las dislocaciones mediante átomos de soluto (Endurecimiento por solución sólida).

Endurecimiento por Solución Sólida

El grado de endurecimiento por solución sólida depende de:

  • Diferencia de tamaño entre impureza y átomos originales: Mayor diferencia de tamaño > Mayor distorsión en la red > Mayor dificultad al movimiento de dislocación.
  • Cantidad de impureza que se añaden.

Aumento de la Densidad de Dislocaciones

Mediante trabajo en frío (ACRITUD).

Solidificación y Transformación

Mecanismo de Solidificación

Dos etapas:

  1. Nucleación (Formación de núcleos sólidos estables).
  2. Crecimiento (Crecimiento de los núcleos por incorporación de átomos del líquido hasta consumirlo totalmente. El agrupamiento de átomos que se produce durante la solidificación debe alcanzar un tamaño crítico (rc) para que el sólido sea estable.

Nucleación Homogénea

Se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por sí mismo los átomos para formar el núcleo (se crean numerosos núcleos homogéneos por movimiento lento de átomos que se mantienen juntos). La nucleación homogénea requiere un elevado ΔT.

Nucleación Heterogénea

Tiene lugar sobre cualquier partícula (Agente de Nucleación = sirve de soporte o agrupamiento de átomos) que disminuya la energía libre para formar un núcleo estable.

Agente de Nucleación

  • Paredes del Molde.
  • Impurezas no solubles.
  • Partículas sólidas añadidas.

Crecimiento

r > rc: Una vez formado el núcleo, crece por incorporación de átomos del líquido hasta formar un agregado policristalino. Crecimiento Anisotrópico (direccional) ::: Crecimiento Dendrítico.

Velocidades de Nucleación y Crecimiento

A + VNucleacion – VCrecimiento >> Tamaño de grano pequeño. // A – VNucleacion + VCrecimiento >> Tamaño de grano grande.

Solidificación en Lingotera

Estructura granular heterogénea. // Molde Metálico Frío >> Cristales Columnares. M.M. Caliente >> Cristales Columnares y equiaxiales. Molde de arena >> Cristales equiaxiales. // En general la estructura columnar no es deseable, por la anisotropía de propiedades que confiere al material, que puede causar el agrietamiento del mismo.

Defectos de Solidificación

  • Rechupe.
  • Sopladuras y poros.

Rechupe: Contracción líquida + contracción por solidificación.

Tipos de Rechupe

  • Macrorrechupe (Se localiza en el sitio en que el metal líquido solidifica en último término, para eliminarlo tenemos: diseño especial de moldes; empleo de mazarotas (son depósitos suplementarios diseñados en los moldes para alimentar con metal fundido las cavidades que se generan por contracción durante la solidificación); solidificación dirigida; colada continua).
  • Microrrechupe (Aparece en los espacios interdendríticos rellenos por líquido no conectado con el resto del metal fundido). Es difícil de detectar y eliminar con posterior trabajo en caliente.

Sopladuras y Poros

Originadas por el desprendimiento gaseoso que se produce durante la solidificación. Para eliminarlo: empleo de baja Temperatura de colada; mantener metal en cuchara, evitar arrastre de aire al molde; colada en vacío; disponer de salidas en los moldes (pinchazos); empleo de correctores químicos (calmado de los aceros).

Constitución de Aleaciones (Conceptos Básicos)

  • Aleación: mezcla de materiales.
  • Aleación metálica: mezcla de un metal y otros elementos químicos metálicos y/o no metálicos, tiene propiedades metálicas. Un sistema de aleación contiene todas las aleaciones que se pueden formar combinando varios elementos en todas las proporciones posibles; dos elementos: binario; tres elementos: ternario…
  • Componentes de una aleación: especies químicas que la forman (elementos o compuestos).
  • Fase: porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes. Fases posibles en estado sólido metálico: metal puro, compuesto y solución sólida.

Clasificación

Las aleaciones pueden ser:

  • Homogéneas (Monofásicas):
    1. Soluciones sólidas.
    2. Fases intermedias.
  • Heterogéneas (Polifásicas):
    1. De metales puros.
    2. De compuestos.
    3. De soluciones sólidas.

Soluciones Sólidas

  • Sólido que consta de uno o más elementos dispersos atómicamente en una única red cristalina.
  • Monofase sólida cristalina formada por disolución de átomos de un elemento (soluto) en la red cristalina de otro elemento (disolvente).

Características

  • El disolvente conserva su red espacial.
  • Si uno de los aleantes es un no-metal, siempre será el soluto.
  • Si los aleantes son metálicos y con la misma red cristalina, el disolvente será el elemento que esté en mayor proporción.
  • El disolvente tiene la misma red cristalina que la aleación.

Soluciones Sólidas

  • Sustitucionales: Los átomos del soluto sustituyen parcialmente posiciones del disolvente en la red.
  • Intersticiales: Los átomos de soluto se sitúan en los intersticios de la red del disolvente.

Proporción del Soluto

  • Serie continua: el soluto sustituye al disolvente en cualquier proporción.
  • Terminal: Con límite de solubilidad.
  • Intermedia: Solubilidad comprendida entre mínimo y máximo. Dif. estructura cristalina.

Compuestos

Se forman por afinidad entre los elementos.

Características

  1. Proporciones definidas.
  2. Red cristalina propia.
  3. Enlace iónico o covalente.

Propiedades

  1. Puntos de fusión más altos que los dos componentes.
  2. Dureza, resistencia elevada.
  3. Fragilidad.

Tipos de Compuestos

  • C. Intermetálicos.
  • C. Intersticiales.
  • C. Electrónicos.

Materiales Poliméricos > Plásticos

Características Generales

  • Son esencialmente amorfos, aunque pueden manifestar cierto grado de cristalinidad.
  • Son ligeros, muchos con densidades inferiores a la del agua.
  • Son buenos aislantes eléctricos y térmicos. Conductividad eléctrica y térmica de 100 a 1000 veces menor que los metales.
  • Presentan un módulo elástico bajo > Flexibles.
  • En general, presentan una gran capacidad de deformación viscoelástica > fácilmente conformables.
  • Menos resistentes que los metales.
  • Elevada resistencia a ambientes agresivos.

Limitaciones

  • Temperatura de reblandecimiento bajas (inferiores a 350ºC y usualmente inferiores a 100ºC).
  • Coeficiente de dilatación térmica elevado.
  • Suelen ser frágiles a bajas temperaturas.
  • Algunos envejecen por efecto de la luz o por reacción con el oxígeno.

Clasificación Según Estructura Molecular > Comportamiento Mecánico-Térmico

  • Termoplásticos (TP).
  • Elastómeros (E).
  • Termoestables (TE).

Polímeros Sintéticos

Macromoléculas orgánicas formadas por un proceso de polimerización > unión repetida de moléculas orgánicas sencillas denominadas monómeros.

Polímeros

  1. Homopolímeros: Un solo monómero.
  2. Copolímeros: Dos o más monómeros:
    • Al azar.
    • Alternados.
    • En bloque.
    • En injerto.

Tipos de Estructura

  1. LINEAL:
    • Sin ramificaciones.
    • Ramificada.
  2. RETICULADA: Redes tridimensionales.
  3. ENTREC CRUZADA: Cadenas lineales adyacentes se unen transversalmente mediante enlaces covalentes. Ej: Caucho.

Morfología. Configuración Molecular. Cristalinidad

Grado de Cristalinidad

  • Velocidad de enfriamiento en la solidificación.
  • Configuración de las cadenas poliméricas. Cristalinidad. Modelo de cadena plegada. Esferulitas.

Consecuencias de la Cristalinidad

Aumento de “Alpha”:

  • Aumento de la densidad.
  • Pérdida de transparencia.
  • Incremento de la resistencia química a los disolventes.
  • Temperatura de fusión (Tm) definida.
  • Aumento de la rigidez y resistencia mecánica.
  • Incremento de contracción por solidificación.

Peso Molecular

Distribución estadística de los tamaños de las moléculas que componen la muestra.

Características Estructurales: Factor Tamaño

  1. Influencia del PM > Incremento del “enmarañamiento de las cadenas”:
    • Aumento de la temperatura de reblandecimiento.
    • Mayor viscosidad.
    • Mejora de la rigidez y resistencia mecánica.
  2. Distribución de PM > Tamaño molecular heterogéneo:
    • Aumento del intervalo de fusión.
    • Peores propiedades mecánicas.
    • Menor resistencia química (detergentes y disolventes).

Índice de Fluidez del Fluido (MFI)

  • Inversamente proporcional a la viscosidad del fundido.
  • Mayor MFI > menor viscosidad > menor PM.
  • Índice de la procesabilidad de un polímero.

Termoplásticos (TP)

Estructura Molecular

Largas moléculas lineales, con o sin ramificaciones unidas por enlaces secundarios.

Características

  • Se ablandan o plastifican, pudiendo ser conformados varias veces, por efecto combinado de la Presión y la Temperatura > Plásticos dúctiles.
  • Moldeables por calentamiento y/o presión manteniendo la forma (repeticiones infinitas).
  • Moderado coste, aceptables propiedades mecánicas y resistencia al calor.
  • Translucidez (> buenísimas calidad ópticas).
  • Buena estabilidad dimensional.

Algunos termoplásticos son: Poliestireno (PS); Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS); policarbonato (PC); tereftalato (PET); polietileno (PE); cloruro de polivinilo (PVC); teflón (PTFE).

Termoestables (TE)

Características

  • Duros y rígidos.
  • Alta estabilidad dimensional.
  • Resistentes a termofluencia y deformación bajo carga.
  • Altas propiedades de aislamiento eléctrico y térmico.
  • No funden por efecto del calor (termorresistentes).

Estructura Molecular

Se obtienen en forma de dos resinas (una contiene agentes de curado, endurecedores y plastificantes y la otra materiales de relleno). Presentan reticulaciones entre cadenas moleculares que se producen en las reacciones de curado (termoendurecibles), formando una red espacial.

Algunos plásticos Termoestables: Resinas fenólicas, baquelita; melamina; resinas epoxi.

Elastómeros (E)

Características

  • Admiten altas deformaciones de tipo elástico > estructuras entrelazadas entre sí formando una malla tridimensional mullida (Se unen las cadenas enroscadas con átomos de azufre, empleando calor y presión > REACCIÓN DE VULCANIZACIÓN.
  • Son insolubles, infusibles pero hinchan en disolución.
  • Polímeros amorfos.

Elastómeros termoestables: al calentarlos no se funden o se deforman.

Elastómeros termoplásticos: al calentarlos se funden y se deforman.

Algunos de ellos: Caucho; Caucho sintético; policloropreno y siliconas.

Transiciones Térmicas de Polímeros

Cuando T < Tg: material polimérico se comporta como un plástico.

Tg es una transición térmica reversible relacionada con la movilidad de las cadenas poliméricas o moléculas > la movilidad de las cadenas poliméricas es función directa de la estructura. Cuando la movilidad es alta > valores bajos de Tg. Cuando la movilidad es baja > valores altos de Tg.

Cuando T > Tm: Fase cristalina pasa al estado líquido.

Tm es una transición térmica reversible relacionada con el estado de ordenación de las cadenas poliméricas o moléculas (Cristalinidad) > El grado de cristalinidad depende en gran medida de la sencillez de la estructura polimérica. Cuando la ordenación es alta, la cristalinidad es alta. Cuando la ordenación es baja, la cristalinidad es baja.

Comportamiento Elástico

La deformación elástica es instantánea. Es reversible al dejar de aplicar esfuerzo.

Comportamiento Viscoso

La deformación no es instantánea. No es totalmente reversible.

Comportamiento Viscoelástico

Comportamiento intermedio.

Termoplásticos

Atendiendo a su relación volumen de producción/coste:

  1. De uso general, con gran volumen de producción y bajo precio > -Poliolefinas (PE, PP) // -Polímeros vinílicos y acrílicos (PVC, PS, PAN, PMMA)
  2. De ingeniería, con altas prestaciones mecánicas, baja o moderada producción y alto precio > poliamidas, poliésteres, policarbonatos, poliacetales,….

Poliolefinas

  • Se obtienen de la polimerización de las olefinas, también llamadas alquenos.
  • Se trata del tipo de plástico más abundante y el más comercializado.
  • Las principales poliolefinas son el polietileno y el polipropileno.

Características Generales

  • Termoplásticos semicristalinos.
  • Buena resistencia química.
  • Buenos dieléctricos.
  • Fácil conformado.
  • Económicos.

Polietilenos (PE)

Polimerización por adición del eteno. Son:

  • Lineal con ramificaciones (Cadena ramificada, bajo grado de densidad, baja densidad).
  • Lineal sin ramificaciones (Cadena lineal, mayor cristalinidad que LDPE, mayor resistencia que LDPE, extraordinaria resistencia al impacto y a la abrasión).

Polipropileno (PP)

Estereoisómeros. Tacticidad. La incorporación a la cadena de PE en un grupo CH3 >

  • Restringe el movimiento de la cadena.
  • Aumenta Tg y Tm.

Tiene baja densidad.

  • Buena dureza superficial.
  • Buena estabilidad dimensional.
  • Flexibilidad.
  • Resistencia a la humedad y al calor.

PP es un material con un buen compromiso entre resistencia y ductilidad > Amplio uso en aplicaciones estructurales.

Se obtienen superficies de calidad y presenta un bajo índice de contracción > Obtención de piezas moldeadas por inyección.

Polímeros Vinílicos y Acrílicos

  • Carácter polar: Mayor fuerzas de cohesión, resistencia a disolventes apolares.
  • Gran volumen > menor empaquetamiento que poliolefinas; Amorfos.

PVC

Se presenta como un polvo blanco, amorfo y opaco.

  • Inodoro, insípido, inocuo.
  • Resistente a la mayoría de agentes químicos.
  • Ligero y no inflamable (material no propagador de llama > Autoextinguible).
  • No se degrada, ni se disuelve en agua.
  • Es totalmente reciclable.

Poliestireno (PS)

Características

  • Buenas propiedades eléctricas no afectadas por la humedad (factor de potencia muy bajo, gran rigidez dieléctrica y resistividad volumétrica).
  • Es atacado por muchos disolventes.
  • No es muy resistente al envejecimiento exterior.

Las aplicaciones principales del PS de alto impacto y el PS cristal son la fabricación de envases mediante extrusión-termoformado, y de objetos diversos mediante moldeo por inyección.

Principales Copolímeros del Poliestireno

  • Poliacrilonitrilo.
  • Polibutadieno.

Poliamidas o Nylons

Buen balance de resistencia mecánica, rigidez, resistencia térmica y tenacidad. Si hay poca absorción de agua > -Estabilidad dimensional. -Resistencia química. // La absorción de agua conlleva un descenso en la rigidez y resistencia mecánica, pero actúa como PLASTIFICANTE.

Policarbonatos (PC)

Características

  • Elevada resistencia y rigidez.
  • Alta resistencia al impacto (Elevada tenacidad en estado vítreo debida a su estructura molecular).
  • Amorfo (Grado de cristalinidad del orden del 10-30%).
  • Transparente (Cuando, partiendo del material fundido, se obtienen placas de pequeño espesor que se enfrían rápidamente, el tamaño de las esferulitas es muy pequeño > Magnífica transparencia).
  • Estabilidad dimensional (Tg=150ºC y Tm=260ºC > Rigidez de la cadena molecular).
  • Alta resistencia térmica.
  • Buen aislamiento eléctrico.

Fluoropolímeros

Características

  • Resistencia química extraordinaria.
  • Muy buen aislante eléctrico.
  • Incombustible.
  • Antiadherente y autolubricante.
  • Alta resistencia al impacto.
  • Dificultades de transformación. Elevada estabilidad térmica.

Resumen de Mecanismos de Endurecimiento

  1. Aumento del grado de cristalinidad:
    • Menor grado de ramificación.
    • Las regiones cristalinas oponen mayor resistencia a la deformación.
  2. Introducción de grupos laterales voluminosos:
    • Restricción de movimientos.
    • Menor compacidad y grado de cristalinidad.
  3. Enlace de átomos altamente polares en la cadena principal: Enlaces más fuertes entre cadenas.
  4. Introducción de átomos de Oxígeno o Nitrógeno en la cadena principal.
  5. Introducción de anillos fenilo en la cadena principal:
    • Baja polaridad > Estabilidad dimensional, bajos coeficientes de rozamiento, resistencia al desgaste.
    • Cristalinidad > Resistencia química.
  6. Incorporación de refuerzo.
  7. Factor tamaño. PM y DPM
  8. Estirado en frío. Fibras.

Técnicas de Conformación de los Plásticos. Influencia de la Naturaleza del Polímero

  1. Termoplásticos (TP):
    • Extrusión.
    • Moldeo por inyección.
    • Soplado.
    • Termoformado.
    • Moldeo rotacional.
  2. Termoestables (TE):
    • Moldeo por compresión.
    • Moldeo por transferencia.
    • Moldeo de inyección por reacción (RIM).

Extrusión

Proceso mediante el cual el material en estado fundido es forzado, por aplicación de presión y calor, a pasar a través de una boquilla. (Elementos principales: Tolva de alimentación, elementos calefactores, camisa, husillo, placa rompedora y dado.)

Ventajas
  • Continuo.
  • Gran volumen de producción.
  • Bajo coste.
  • Fusión eficiente.
  • Gran variedad de materias primas.
  • Buena capacidad de mezcla.
Inconvenientes
  • Piezas de formas sencillas.
  • Productos de sección uniforme.

Moldeo por Inyección

Diferencia de tamaño entre el molde y la pieza moldeada fría. Factores de influencia: Temperatura de la resina (Amorfos o Cristalinos). Tipo de resina (microestructura, agentes de refuerzo,…).

Moldeo por Soplado

Formación de piezas huecas a partir de tubos plásticos preformados (macarrón, preforma o parison) que se expanden sobre las paredes internas de un molde mediante inyección de aire comprimido.

Ventajas: Moldeo por Extrusión-Soplado
  • Menor coste de la máquina y accesorios.
  • Ciclo total más corto.
  • Posibilidad de empleo de más tipos de resinas.
Inconvenientes
  • Genera más desperdicios.
  • Necesidad de operaciones de desbaste posteriores.
Ventajas: Moldeo por Inyección-Soplado
  • La pieza final posee una mayor precisión dimensional.
  • Paredes de espesores uniformes.
  • No hay cicatrices; diseño de bases estables.
  • No hay rebabas.
  • Mejores propiedades mecánicas (orientación biaxial).
  • Mayor transparencia.

CONTINUACIÓN PLÁSTICOS:

Inconvenientes
  • Más caro.

Generalidades: Material Compuesto

  • Materiales multifásico fabricados artificialmente.
  • Además las fases constituidas:
    1. Deben ser químicamente diferentes.
    2. Deben estar separadas por una fase definida.

Generalidades: Clasificación: Materiales Compuestos

  1. Reforzados con partículas:
    • Partículas grandes.
    • Reforzados por dispersión.
  2. Reforzados con fibras:
    • Continuas (alineadas).
    • Discontinuas (cortas):
      1. Alineadas.
      2. Orientadas al azar.
  3. Estructurales:
    • Laminares.
    • Paneles Sandwich.

Materiales Compuestos: Matriz Polimérica Reforzada por Fibras

  1. Funciones de la matriz: Soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la interfase (Matriz Deformable). Otra función es proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas (compatibilidad entre matriz y refuerzo).
  2. Función del refuerzo: Transmitir las cargas a la matriz: Define las características mecánicas del material (resistencia y rigidez). Son 20-80% en volumen del material compuesto.
  3. Matrices poliméricas:
    1. Matrices Termoestables (uniones covalentes formadas en la reticulación o curado):
      • Fáciles de procesar antes del curado.
      • Más tenaces que los TP.
      • Más frágiles que las termoplásticas.
    2. Matrices termoplásticas (no tienen uniones permanentes entre cadenas porque no reticulan):
      • Más difíciles de procesar.
      • Reciclables.

Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio (GRP)

Material compuesto formado por una matriz de plástico (poliéster, viniléster y otros termoplásticos) o resina (resinas epoxi) reforzada con fibras de vidrio (continuas o discontinuas, fácilmente hilable y económico).

Características del Plástico Reforzado con FV

  • Material ligero y fácil de moldear.
  • Combina la alta resistencia de las delgadas FV con la ductilidad de la matriz polimérica (alta resistencia específica).
  • Buena resistencia química > Ambientes Corrosivos.
  • Menor resistencia y módulo de tensión que FC y FA pero mayor elongación.
  • Mayor densidad de fibras respecto a FC y FA.

Plásticos Reforzados con Fibra de Carbono (CFRP)

Materiales compuestos de matrices resinosas del tipo termoestable (con poliéster o viniléster) y como refuerzo fibras de carbono).

Características

  • Baja densidad.
  • Alta resistencia y tenacidad (módulo de elasticidad elevado).
  • Gran resistencia a elevada temperatura y a ambientes corrosivos.
  • Gran capacidad de aislamiento térmico (solo con termoestables).
  • Elevado precio.
  • FC solo se utiliza como fibra corta.

Plásticos Reforzados con Fibra de Polímeros

Matriz de polímero y refuerzo polimérico de aramidas (poliamidas aromáticas o fibras de PE).

Plástico Reforzado con Fibras de Aramida (KEVLAR)

Características

físicas y químicas uniformes. Fases posibles en estado solido metalico: metal puro, compuesto y solucion solida./// Clasificacion: Aleaciones pueden ser: -Homogeneas (Monofasicas): 1.-Soluciones solidas. 2.-fases intermedias. -Heterogeneas (Polifasicas): 1.-De metales puros. 2.- De compuestos. 3.-De soluciones sólidas.

Soluciones sólidas:-Slido que consta de uno o mas elementos dispersos atomicamente en una unica red cristalina. -Monofase solida cristalina formada por disolucion de atomos de un elemento (soluto) en la red cristalina de otro elemento (disolvente).

Caracteristicas: -El disolvente conserva su red espacial. -Si uno de los aleantes es un no-metal, siempre sera el soluto. – Si los aleantes son metalicos y con la misma red cristalina, el disolvente sera el elemento que esté en mayor proporcion. -El disolvente tiene la misma red cristalina que la aleacion.

Soluciones solidas: -Sustitucionales: Los atomos del soluto sustituyen parcialmente posiciones del disolvente en la red. -Intersticiales: Los atomos de soluto se situan en los intersticios de la red del disolvente.

Proporcion del soluto: -Serie continua: el soluto sustituye al disolvente en cualquier proporcion. -Terminal: Con límite de solubilidad. -Intermedia: Solubilidad comprendida entre minimo y maximo. Dif. estructura cristalina.

Compuestos: Se forman por afinidad entre los elementos.

-Caracteristicas: 1.-Proporciones definidas. 2.- Red cristalina propia. 3.- Enlace iónico o covalente.

-Propiedades: 1.-Puntos de fusion mas alto que los dos componentes. 2.-Dureza, resistencia elevada. 3.-Fragilidad.

Tipos de Compuestos: -C. Intermetalicos. -C. Intersticiales. -C. Electronicos.


Materiales Poliméricos>Plásticos.

Caracteristicas generales: -Son esencialmente amorfos, aunque pueden manifestar cierto grado de cristalinidad. -Son ligeros, muchos con densidades inferiores a la del agua. -Son buenos aislantes eléctricos y térmicos. Conductividad electrica y termica de 100 a 1000 veces menor que metales. – Presentean un modulo elastico bajo>Flexibles. -En general, presentan una gran capacidad de deformacion viscoelastica>facilmente conformables. -Menos resistentes que los metales. -Elevada resistencia a ambientes agresivos./// Limitaciones: -Temp. de reblandecimiento bajas (inf. a 350ºC y usualmente inferiores a 100ºC). -Coeficiente de dilatacion termica elevado. -Suelen ser fragiles a bajas temperaturas. -Algunos envejecen por efecto de la luz o por reaccion con el oxigeno.

Clasificacion segun estructura molecular>comportamiento mecanico-termico: -Termoplasticos (TP). -Elastomeros(E). -Termoestables (TE).

Polimetos sinteticos: Macromoleculas organicas formadas por un proceso de polimerizacion> union repetida de moleculas organicas sencillas denominadas monomeros.

Polimeros: 1.- Homopolimeros>Un solo monomero. 2.-Copolimeros: Dos o mas monomeros: -Al azar. -Alternados. -En bloque. -En injerto.

Tipos de estructura: 1.-LINEAL: -Sin ramificaciones. -Ramificada. 2.-RETICULADA: Redes tridimensionales. 3.-ENTRECRUZADA: Cadenas lineales adyacentes se unen transversalmente mediante enlaces covalentes. Ej: Caucho.

Morfologia. Configuracion molecular. Cristalinidad: Grado de Cristalinidad: -Velocidad de enfriamiento en la solidificacion. -Configuracion cadenas polimericas. Cristalinidad. Modelo de cadena plegada. Esferulitas.

Consecuencias de cristalinidad: Aumento de “Alpha”: – Aumento de la densidad. -Perdida de transparencia. -Incremento de la resistencia quimica a los disolventes. -Temperatura de fusion (Tm) definida. -Aumento de la rigidez y resistencia mecanica. -Incremento de contraccion por solidificacion.

Peso molecular: Distribucion estadistica de los tamaños de las moleculas que componen la muestra.

Caracteristicas Estructurales: Factor Tamaño: 1.- Influencia del PM>Incremento del “enmarañamiento de las cadenas”: -Aumento de la temperatura de reblandecimiento. -Mayor viscosidad. -Mejora de la rigidez y resistencia mecanica./ 2.- Distribucion de PM>Tamaño molecular heterogeneo: -Aumento del intervalo de fusion. -Peores propiedades mecanicas. -Menor resistencia quimica (detergentes y disolventes.)´

Índice de fluidez del fluído (MFI): -Inversamente proporcional a la viscosidad del fundido. -Mayor MFI>menor viscosidad>menor PM. -Indice de la procesabilidad de un polimero.

Termoplásticos (TP): Estructura molecular: Largas moleculas lineales, con o sin ramificaciones unidas por enlaces secundarios./// Caracteristicas: -Se ablandan o plastifican, pudiendo ser conformados varias veces, por efecto combinado de la P y la T>Plasticos ductiles. -Moldeables por calentamiento y/o presion manteniendo la forma (repeticiones infinitas). -Moderado coste, aceptables propiedades mecanicas y resistencia al calor. -Translucidez (>buenisimas calidad opticas). -Buena estabilidad dimensional./// Algunos termoplasticos son: Poliestireno (PS); Acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS); policarbonato (PC); tereftalato (PET); polietileno (PE); cloruro de polivinilo (PVC); teflón (PTFE).

Termoestables (TE): Caracteristicas: -Duros y rígidos. -Alta estabilidad dimensional. -Resistentes a termofluencia y deformacion bajo carga. -Altas propiedades de aislamiento electrico y termico. -No funden por efecto del calor (termorresistentes)./// Estructura molecular: Se obtienen en forma de dos resinas (una contiene agentes de curado, endurecedores y plastificantes y la otra materiales de relleno). Presentan reticulaciones entre cadenas moleculares que se producen en las reacciones de curado (termoendurecibles), formando una red espacial./// Algunos plasticos Termoestables: Resinas fenólicas, baquelita; melamina; resinas epoxi.

Elastomeros (E): Caracteristicas: – Admiten altas deformaciones de tipo elastico>estructuras entrelazadas entre si formando un malla tridimensional mullida (Se unen las cadenas enroscadas con atomos de azufre, empleando calor y presion> REACCION DE VULCANIZACION. -Son insolubles, infusibles pero hinchan en disolucion. -Polimeros amorfos. /// Elastomeros termoestables: al calentarlos no se funden o se deforman.  Elastomeros termoplasticos: al calentarlos se funden y se deforman. /// Algunos de ellos: Caucho; Caucho sintetico; policloropreno y siliconas.

Transiciones termicas de polimeros: Cuando TTg: material polimerico se comporta como un plastico.

Tg es una transicion termica reversible relacionada con la movilidad de las cadenas polimericas o moleculas>la movilidad de las cadenas polimericas es funcion directa de la estructura. Cuando la movilidad es alta> valores bajos de Tg. Cuando la movilidad es baja> valores altos de Tg.

Cuando TTm: Fase cristalina pasa al estado liquido.

Tm es una transicion termica reversible relacionada con el estado de ordenacion de las cadenas polimericas o moleculas (Cristalinidad)> El grado de cristalinidad depende en gran medida de la sencillez de la estructura polimerica. Cuando ordenacion alta, alta cristalinidad. Cuando ordenacion baja, baja cristalinidad.

Comportamiento Elastico: la deformacion elastica es instantanea. Es reversible al dejar aplicar esfuerzo. Comportamiento viscoso: la Deformacion no es instantanea. No es totalmente reversible. Comp. Viscolelastico: Comp Intermedio.

Termoplasticos: Atendiendo a su relacion volumen de produccion/coste: 1.- De uso general, con gran volumen de produccion y bajo precio>-Poliolefinas(PE,PP)//-Polimeros vinílicos y acrílicos(PVC,PS,PAN,PMMA) 2.-De ingeniería, con altas prestaciones mecanicas, baja o moderada produccion y alto precio>poliamidas, poliesteres, policarbonatos, poliacetales,….

Poliolefinas: -Se obtienen de la polimerización de las olefinas, tambien llamadas alquenos. -Se trata del tipo de plastico mas abundante y el mas comercializado. -Las principales poliolefinas son el polietileno y el polipropileno./// Caracteristicas Generales: -Termoplasticos semicristalinos. -Buena resistencia quimica. -Buenos dielectricos. -Facil conformado. -Economicos.

–Polietilenos(PE): polimerizacion por adiccion del eteno. Son: -Lineal con ramificaciones(Cadena ramificada, bajo grado de densidad, baja densidad). -Lineal sin ramificaciones (Cadena lineal, mayor cristalinidad que LDPE, mayor resistencia que LDPE, Extrordinaria resistencia al impacto y a la abrasion)

–Polipropileno(PP):Estereoisómeros. Tacticidad. La incorporacion a la cadena de PE en un grupo CH3> -Restringe el movimiento de la cadena. -Aumenta Tg y Tm.//// Tiene baja densidad. -Buena dureza superficial. -Buena estabilidad dimensional. -Flexibilidad. -Resistencia a la humedad y calor.//// PP es un material con un buen compromiso entre resistencia y ductilidad>Amplio uso en aplicaciones estructurales.// Se obtinen superficies de calidad y presenta un bajo indice de contraccion>Obtencion de piezas moldeadas por inyeccion.

Polimetos vinílicos y acrílicos: -Caracter polar: Mayor fuerzas de cohesion, resist. disolventes apolares. -Gran volumen>menor empaquetamiento que poliolefinas; Amorfos.

–PVC. Se presenta como un polvo blanco, amorfo y opaco. -Inodoro, insipido, inocuo. -Resistente a la mayoria de agentes quimicos. -Ligero y no inflamable (material no propagador de llama>Autoextinguible). -No se degrada, ni se disuelve en agua. -Es totalmente reciclable.

–Poliestireno (PS): Caracteristicas: -Buenas propiedades electricas no afectadas por la humedad (factor potencia muy bajo, gran rigidez dielectrica y resistividad volumetrica). -Es atacado por muchos disolventes. -No es muy resistente al envejecimiento exterior.//// Las aplicaciones principales del PS de alto impacto y el PS cristal son la fabricacion de envases mediante extrusion-termoformado, y de objetos diversos mediante moldeo por inyeccion.//// Principales copolimeros del Poliestireno>Poliacrilonitrilo, Polibutadieno

Poliamidas o Nylons: Buen balance de resistencia mecanica rigidez, resistencia termica y tenacidad. Si hay poca absorcion de agua>-Estabilidad dimensional. -Resistencia quimica.// La absorcion de agua conlleva un descenso en la rigidez y resistencia mecanica, pero actua como PLASTIFICANTE.

Policarbonatos (PC): Carateristicas: -Elevada resistencia y rigidez. – Alta resistencia al impacto (Elevada tenacidad en estado vítreo debida a su estructura molecular). -Amorfo (Grado de cristalinidad del orden del 10-30%). -Transparente (Cuando, partiendo del material fundido, se obtienen placas de pequeño espesor que se enfrian rapidamente, el tamañao de las esferulitas es muy pequeño>Magnifica transparencia). -Estabilidad dimensional (Tg=150ºC y Tm=260ªC >Rigidez de la cadena molecular).-Alta resistencia termica. -Buen aislamiento electrico.

Fluoropolimeros. Caracteristicas: -Resistencia quimica extraordinaria. -Muy buen aislante electrico. -Incombustible. -Antiadherente y autolubricante. -Alta resistencia al impacto. -Dificultades de transformacion. Elevada estabilidad termica.

Resumen mecanismos de endurecimiento: 1.-Aumento del grado de cristalinidad: -Menor grado de ramificacion. -Las regiones cristalinas oponen mayor resistencia a la deformacion.///2.-Introduccion de grupos laterales voluminosos:-Restriccion de movimientos. -Menor compacidad y grado de cristalinidad./// 3.- Enlace de atomos altamente polares en la cadena principal: Enlaces mas fuertes entre cadenas./// 4.-Introduccion de Atomos O o N en la cadena principal.///5.-Introduccion de anillos fenilo en la cadena principal: -Baja polaridad>Estabilidad dimensional, bajos coef. rozamiento, resistencia al deesgaste. -Cristalinidad>Resistencia quimica.///6.- Incorporacion de refuerzo. 7.-Factor tamaño. PM y DPM/// 8.- Estirado en frio. Fibras.

Tecnicas de conformacion de los plasticos. Influencia de la Naturaleza del Polimero: 1.-Termoplasticos(TP): -Extrusion. -Moldeo por inyeccion. -Soplado. -Termoformado. -Moldeo rotacional.// 2.-Termoestables(TE): -Moldeo por compresion. -Moldeo por transferencia. -Moldeo de inyeccion por reaccion (RIM).

–Extrusion: Proceso mediante el cual el material en estado fundido es forzado, por aplicacion de presion y calor, a pasar a traves de una boquilla.(Elementos principales: Tolva alimentacion, elementos calefactores, camisa, husillo, placa rompedora y dado.) VENTAJAS: Continuo, gran volumen de produccion, bajo coste, fusion eficiente, gran variedad de materias primas, buena capacidad de mezcla. INCONV.: Piezas de formas sencillas, productos de seccion unforme.

–Moldeo por inyeccion: Diferencia de tamaño entre el molde y la pieza moldeada fria. Factores de influencia: -Temp. de la resina(Amorfos o Cristalinos). -Tipo de resina (microestructura, agentes de refuerzo,…).

–Moldeo por soplado: Formacion de piezas huecas a partir de tubos plasticos preformados (macarron, preforma o parison) que se expanden sobre las paredes internas de un molde mediante inyeccion de aire comprimido. VENTAJAS: Moldeo por extrusion soplado: -Menor coste de la maquina y accesorios. -Ciclo total mas corto. -Posibilidad de empleo de mas tipos de resinas. INCOV:Genera mas desperdicios. -Necesidad de operaciones de desbaste posteriores. ///VENTAJAS: Moldeo por inyeccion-soplado: -La pieza final posee una mayor precision dimensional. -Paredes de espesores uniformes. -No hay cicatrices; diseño de bases estables. -No hay rebabas.- Mejores propiedades mecanicas (orientacion biaxial).-Mayor transparencia.


CONTINUACION PLASTICOS: INCONV: Más caro.

Generalidades: Material compuesto: -Materiales multifasico fabricados artificialmente. -Ademas las fases constituidas: 1.-Deben ser quimicamente diferentes. 2.-Deben estar separadas por una fase definida.

Generalidades: Clasificacion: Materiales Compuestos: 1.-Reforzados con particulas: -Particulas grandes. -Reforzados por dispersion.// 2.-Reforzados con fibras: -Continuas(alineadas). -Discontinuas(cortas): I.-Alineadas….II..-Orientadas al azar. 3.- Estructurales: -Laminares. -Paneles Sandwich.

Materiales Compuestos: Matriz Polimerica reforzada por fibras: 1.- Funcines de la matriz: Soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a traves de la interfase (Matriz Deformable). Otra funcion es proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas (compatibilidad entre matriz y refuerzo). 2.-Funcion del refuerzo: Transmitir las cargas a la matriz: Define las caracteristicas mecanicas del material (resistencia y rigidez). Son 20-80% en volumen del material compuesto. 3.- Matrices polimericas: a)Matrices Termoestables (uniones covalentes formadas en la reticulacion o curado): -Faciles de procesar antes del curado.-Mas tenaces que TP. -Mas fragiles que las termoplasticas. b)Matrices termoplasticas (no tienen uniones permanentes entre cadenas porque no reticulan): -Mas dificiles de procesar. -Reciclables.

Plasticos reforzados con fibra de vidrio(GRP): Material compuesto formado por una matriz de plastico (poliester, vinilester y otros temoplasticos) o resina (resinas epoxi) reforzada con fibras de vidrio (continuas o discontinuas, facilmente hilable y economico). /// caracteristicas del plastico reforzado con FV: -Material ligero y facil de moldear. -Combina alta resistencia de las delgadas FV con la ductilidad de matriz polimerica (alta resistencia especifica). -Buena resistencia quimica>Ambientes Corrosivos. -Menor resistencia y modulo de tension que FC y FA pero mayor elongacion. -Mayor densidad de fibras respecto a FC y FA.

Plasticos reforzados con fibra de carbono (CFRP): Materiales compuestos de matrices resinosas del tipo termoestable (con poliester o vinilester) y como refuerzo fibras de carbon). ///Caracteristicas: -Baja densidad. -Alta resistencia y tenacidad (modulo de elasticidad elevado). -Gran resistencia a elevada temperatura y a ambientes corrosivos. -Gran capacidad de aislamiento termico (solo con termoestables). -Elevado precio. -FC solo se utiliza como fibra corta.

Plasticos reforzados con fibra de polimeros:Matriz de polimero y refuerzo polimerico de aramidas (poliamidas aromaticas o fibras de PE).

–Plastico reforzado con fibras de aramida (KEVLAR). Caracteristicas: Modulo elastico superior a la FV pero inferior a FC. Se utilizan cuando se necesita buenas propiedades mecanicas y ligereza./// -Kevlar 29: Baja densidad, alta resistencia y bajo E. Uso: Proteccion balistica, cuerdas y cables. -Kevlar 49: Baja densidad, alta resistencia y alto E. Uso: En industria aeroespacial, marina, automocion.


Tema 1: Estructura Cristalina. 1er Nivel: Estruct. Atomica-Molecular. 2º Nivel: Estruct. Cristalina-No Cristalina. 3er Nivel:Micro estruct. 4ºNivel: Macroestruct./// Sólido cristalino (orden de corto y largo alcance)./// Sólido amorfo (orden de corto alcance)./// Celda Unitaria: Define la estructura cristalina (geometria y posicion de los atomos en ella). Definida por 6 parametros reticulares: -Long. Aristas: a,b,c. -Angulos:alfa,beta,gamma./// -FCC:cubica centrada en las caras. -BCC:cubica centrada en el cuerpo. -HCP:hexagonal compacta.

Un elemento (alotropia) o sustancia (polimorfismo) puede adoptar distintas estructuras cristalinas segun las condiciones de T y P.

Intersticios: -Espacios libres (no ocupados por los atomos) en las redes cristalinas. -Segun su geometria pueden ser: Octaedricos y Tetraedricos.

Tema 2: Defectos. Imperfecciones cristalinas: Defecto Cristalino: Es una irregularidad en la red en la cual una o mas de sus dimensiones son del orden de un diametro atomico. Tipos de defectos: 1.-Defectos Puntuales. 2.-Defectos Lineales. 3.-Defecto Superficiales./// Vacante: Posicion atomica desocupada en la red./// Autointersticial: Atomo desplazado que ocupa un intersticio de la red>Gran distorsion en la red. Menos probable.

Condiciones de Hume-Rothery: 1.-“delta”r(radio atomico). 2.-Proximidad en la tabla periodica (Electronegatividades similares). 3.-Misma estructura cristalina. 4.- Valencia (Un metal presenta mayor tendencia a disolver a otro de mayor valencia que a uno de menor valencia. **Si no se cumple una o mas de las reglas de Hume-Rothery solo es posible obtener solubilidad parcial.

Dislocaciones de borde: Originan una distorsion en la red cristalina en torno a una linea de atomos desajustados./// Discrepancias entre resistencia teorica y resistencia experimental: El valor experimental de la resistencia que opone un metal a la deformacion plastica es aprox. 10.000 veces inferior al valoir teorico. Los materiales de ingenieria presentan densidades de dislocaciones muy altas, del orden de 10^6 a 10^8 lineas de dislocacion/cm^2.>>La deformacion plastica resulta del movimiento de dislocaciones en respuesta a la tension aplicada.

Sistemas de deslizamiento: Las dislocaciones no se mueven con la misma facilidad sobre todos los planos y direcciones cristalograficos.// Plano de deslizamiento+Direccion de deslizamiento=Sistema de deslizamiento.

Dislocaciones y mecanismos para incrementar la resistencia mecanica: -Dificultar el movimiento de las dislocaciones: Mediante dispersion de particulas muy finas (Endurecimiento por precipitacion)./// -Bloqueo de dislocaciones: Anclar las dislocaciones mediante atomos de soluto (Endurecimiento por solucion solida).

–Endurecimiento por solucion solida: Grado de endurecimiento por solucion solida depende: -Diferencia de tamaño entre impureza y atomos originales: Mayor diferencia de tamaño>Mayor distorsion en la red>Mayor dificultad al movimiento de dislocacion.// -Cantidad de impureza que se añaden.

–Aumento de la densidad de dislocaciones: Mediante trabajado en frío (ACRITUD).