Introducción a la Ciencia de los Materiales

1. Conceptos Fundamentales

1.1. Dureza de los Materiales

En forma general, se puede decir que la dureza de un material depende de la facilidad de movimiento de las unidades estructurales.

1.2. No Cristalinidad

Los factores que influyen en la no cristalinidad de un material son: temperatura e impurezas.

1.3. Alotropismo

El alotropismo corresponde a una propiedad de algunos materiales que indica que estos pueden existir en varias estructuras cristalinas, según la presión y la temperatura.

1.4. Acero Inoxidable

Para que un acero sea inoxidable, debe contener como elemento de aleación cromo > 12%.

1.5. Filón

Un filón es un yacimiento mineral escarificado de gran espesor.

1.6. Ganga

Un mineral se encuentra en estado natural rodeado de material estéril denominado ganga.

1.7. Preparación Previa de Minerales

La preparación previa de un mineral para su posterior proceso incluye generalmente las siguientes etapas, que se realizan en el orden indicado: trituración, molienda, clasificación y concentración.

1.8. Obtención del Cobre en Chile

El cobre se obtiene en Chile a partir de minerales oxidados y sulfurados.

1.9. Fabricación del Acero

Para la fabricación del acero, es necesario un proceso de reducción que incluye como materias primas: mineral de hierro, carbón coque y caliza.

1.10. Sinterización

La sinterización es un proceso mediante el cual se forman uniones por difusión del estado sólido.

1.11. Diferencia entre Cerámicos y Vidrios

La principal diferencia entre la fabricación (procesamiento) de cerámicos y vidrios es que los cerámicos se preparan por partículas y los vidrios por fundido.

1.12. Vitrocerámicos

Un vitrocerámico es un material policristalino.

1.13. Piezoeléctricos

Un piezoeléctrico es un cerámico capaz de interconvertir energía eléctrica en mecánica.

1.14. Biomateriales

Un biomaterial es un material destinado a reparar tejidos biológicos, reemplazar tejidos biológicos o sustituir una interface biológica.

1.15. Microscopio Electrónico de Barrido

La característica principal de una muestra que se desea observar por microscopio electrónico de barrido es que esta sea conductora.

1.16. Difracción de Rayos X

La difracción de rayos X permite obtener información de: un sólido cristalino, la estructura 3D de un tipo de sólido, distancias y ángulos de enlace.

1.17. Materiales Compuestos

Los materiales compuestos están destinados a: cubrir nuevas necesidades en el ámbito de la ciencia de los materiales, combinar propiedades de materiales ya existentes, potenciar propiedades de materiales ya existentes.

1.18. Lixiviación

La lixiviación corresponde a la separación de uno o varios componentes contenidos en un sólido mediante un disolvente.

2. Tipos de Enlaces Químicos

2.1. Enlace Iónico

El enlace iónico se forma entre átomos con electronegatividad distinta. Los átomos se convierten en iones con carga positiva (+) y negativa (-) para alcanzar una configuración electrónica más estable (ns², np⁶). La configuración electrónica determina la electronegatividad. Durante el enlace iónico, hay transferencia de electrones para alcanzar una configuración más estable, formándose una fuerza de unión electrostática que provoca un enlace no direccional. La energía de enlace es de 100 a 1000 kJ/mol.

2.2. Enlace Covalente

En el enlace covalente, los átomos comparten electrones para buscar estabilidad (ns², np⁶). Se pueden compartir hasta 3 electrones (enlace triple). El enlace covalente dativo se caracteriza por la compartición de 2 electrones. Existe una distribución compartida de electrones, el enlace es de tipo direccional.

2.3. Enlace Metálico

El enlace metálico se da solo entre metales y del mismo tipo de átomos. Los núcleos deben ser iguales. Los electrones se mueven de un núcleo a otro, manteniendo una nube electrónica que los mantiene unidos. La distribución compartida de electrones se diferencia del enlace covalente porque no es direccional. Es decir, no importa el núcleo al que esté enlazado el electrón. Se da en átomos de baja electronegatividad. Explica por qué los metales conducen la electricidad: con un estímulo, los electrones se mueven en la nube.

3. Fuerzas Intermoleculares

3.1. Fuerzas de Van der Waals

Las fuerzas de Van der Waals son atracciones de carga opuestas sin transferencia de electrones.

3.2. Puente de Hidrógeno

El puente de hidrógeno se presenta entre átomos de hidrógeno enlazados covalentemente a un átomo muy electronegativo.

3.3. Dipolo-Dipolo

La atracción intermolecular resultante de la tendencia a alinearse de moléculas polares se denomina dipolo-dipolo. No se necesita hidrógeno.

3.4. Fuerzas de London

El enlace de London es una atracción intermolecular entre moléculas no polares resultante de la inducción de dipolos debido a la posición variante de los electrones durante su movimiento alrededor del núcleo.

4. Familias de Materiales

4.1. Materiales Metálicos

Los materiales metálicos son los metales y sus aleaciones, así como sustancias inorgánicas que están constituidas por uno o más elementos metálicos; por ejemplo: hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio. Es importante tener en cuenta que el carbono es un elemento no metálico. Los metales tienen muchas características importantes: buena conductividad eléctrica y térmica, opacidad, brillo, fusibilidad, plasticidad, dureza, etc. Podemos subdividir a los materiales metálicos en dos grupos importantes: los ferrosos y los no ferrosos.

4.2. Materiales Cerámicos

Los materiales cerámicos son sustancias quemadas, son frágiles. Las uniones atómicas de las cerámicas son mucho más fuertes que la de los metales. Por eso, una pieza cerámica es muy eficaz, tanto en dureza como en resistencia a las altas temperaturas y choques térmicos. Además, los componentes cerámicos resisten a los agentes corrosivos y no se oxidan.

4.3. Polímeros

Los polímeros se producen por la unión de cientos de miles de moléculas pequeñas denominadas monómeros que forman enormes cadenas de las formas más diversas. Son cadenas de alto peso molecular, tienen bajo punto de fusión, no son conductores eléctricos, no son resistentes y se deforman a altas temperaturas.

4.4. Semiconductores

Los semiconductores no son aislantes, se puede producir cuanto se quiere conducir (reproductores). Son inorgánicos a base de silicio y germanio por enlaces covalentes. Los transmisores de televisión y radios son ejemplos.

4.5. Materiales Compuestos

La mayoría de los materiales (envases) son una mezcla de las familias anteriores. Se pueden mezclar 2 o más para intensificar alguna propiedad. Están constituidos por una matriz y un refuerzo (cajas tetra): aluminio, cartón, plástico.

4.6. Biomateriales

Los biomateriales están destinados a reemplazar, reparar o reponer una estructura, tejido o interfase biológica. Los biomateriales se pueden definir como materiales biológicos, cualquier elemento que remplace la función de los tejidos o de los órganos vivos. En otros términos, un biomaterial es una sustancia farmacológicamente inerte diseñada para ser implantada o incorporada dentro del sistema vivo.

Los biomateriales se implantan con el objeto de remplazar y/o restaurar tejidos vivientes y sus funciones, lo que implica que están expuestos de modo temporal o permanente a fluidos del cuerpo, aunque en realidad pueden estar localizados fuera del propio cuerpo, incluyéndose en esta categoría a la mayor parte de los materiales dentales que tradicionalmente han sido tratados por separado.

Los materiales utilizados con fines biológicos son seleccionados y diseñados en base a las características funcionales que deben poseer:

• Mecánicas: Tener una resistencia mecánica adecuada.
• Propiedades Físicas: Densidad, expansión, contracción, resistencia eléctrica, etc.
• Características Químicas: Principalmente resistencia a la corrosión.
• Características Biológicas:
  • Biodegradable: Se incorpora a los procesos del cuerpo, para que sea aceptado por él.
  • Biocompatible: El material debe tener un nivel de degradación bajo, que no sean rechazados por el cuerpo. Degradación lenta. No provocar que éste desarrolle sistemas de rechazo ante la presencia del biomaterial.
  • Bioreabsorbible: Que el material entra a los ciclos del cuerpo y se convierte en alimento para generar su propia estructura.

5. Procesamiento de Materiales

5.1. Cemento Portland

El cemento portland es un cemento hidráulico que cuando se mezcla con áridos, agua y fibras de acero discontínuas y discretas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada hormigón. Es el más usual en la construcción utilizada como aglomerante para la preparación del hormigón o concreto. Como cemento hidráulico tiene la propiedad de fraguar y endurecer en presencia de agua, al reaccionar químicamente con ella para formar un material de buenas propiedades aglutinantes. El nombre se debe a la semejanza en aspecto con las rocas que se encuentran en la isla de Pórtland, Inglaterra.

5.2. Alto Horno

El alto horno es la instalación industrial donde se transforma el mineral de hierro. Este está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares (toberas), por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza. Obtenido el acero líquido, se puede introducir coladura.

6. Propiedades Mecánicas

Los siguientes datos provienen de una curva de tensión-deformación efectuada bajo las mismas condiciones para los materiales (B y A):

• Módulo elástico o de Young (GPa): 90 – 70
• Resistencia a la tensión (MPa): 750 – 850
• Resistencia a la cedencia (MPa): 800 – 745
• Límite elástico (%): 0.9 – 0.8
• Deformación de falla (%): 10 – 8
• Dureza (BHN): 235 – 40

a) ¿Qué material es más rígido? El módulo de Young mide rigidez, B es más rígido.

b) ¿Qué material es más fácil de trabajar por enrollado o jalado? El A porque posee menor resistencia a la cedencia.

c) ¿Qué material es capaz de deformarse plásticamente? B porque posee mayor deformación de falla.

d) ¿Qué material tiene menor resistencia a la penetración? B tiene menor dureza.

7. Preguntas de Repaso

¿Qué diferencia existe entre un semiconductor tipo p y tipo n?

Flexible = Rígido                     Ductil = Frágil   Resistente = Blando      Frágil = Ductil

1. La ciencia de los materiales estudia aspectos de estos que relacionan:

• II.- Usos
• III.- Estructura
• IV.- Propiedades

2. Un sólido molecular está constituido por:

• b) Moléculas unidas por fuerzas intermoleculares

3. El enlace covalente se caracteriza por:

• a) Ser direccional

4. El yodo sólido (I₂) sublima con relativa facilidad. Los enlaces que se rompen al sublimar este elemento son de tipo:

• e) Intermoleculares

5. Una sustancia química presenta las siguientes propiedades:

• Punto de fusión: (200ºC)
• Conductividad eléctrica: (conductor)
• Solubilidad en agua: (Insoluble)

La sustancia descrita podría corresponder a las siguientes sustancias:

• I) Un compuesto metálico
• II) Un compuesto covalente molecular
• III) Un plástico

6. Al interior de una celda cúbica centrada en la cara existe un total de:

• a) 2 átomos
• c) 4 átomos

7. Los parámetros que definen una celda unitaria son:

• I) Ángulos entre los lados o caras
• III) Relación entre las longitudes de lados o caras

8. Las redes de Bravais corresponden a:

• b) 14 sistemas para ordenar átomos (o grupos atómicos) en forma ordenada y repetitiva

10. Un defecto tipo Frenkel se caracteriza por:

• I.- Dos vacantes dejadas por iones de carga opuesta
• III.- Presencia de defectos vacantes e intersticiales
• IV.- Ser función exponencial con la temperatura

11. El carbono en el acero comercial constituye:

• c) Un soluto por intersticio

12. Cuando se acumulan dislocaciones en una zona del material, esto hace que el material se vuelva:

• I.- Más resistente
• II.- Menos frágil
• Más frágil
• III.- Amorfo en dicha zona

13. En forma general se puede decir que la dureza de un material depende de:

• d) Facilidad de movimiento de las unidades estructurales

14. Alotropismo corresponde a una propiedad de algunos materiales que indica que estos:

• b) Pueden existir en varias estructuras cristalinas, según presión y temperatura.

15. Las etapas de una reacción de polimerización radicalaria en forma secuencial son:

• c) Iniciación-propagación-terminación

16. Un copolímero es aquel polímero que:

• c) Está formado por dos o más tipos de monómeros

17. Es (son) polímeros obtenidos a través de polimerización por condensación:

• II.- Nylon

18. La polimerización por adición consiste en la unión sucesiva de monómeros que presentan en su estructura química:

• b) Insaturaciones

19. El caucho natural tiene escasa aplicación industrial por su gran elasticidad, poca dureza y alto desgaste. Para mejorar estas propiedades se somete a un tratamiento denominado:

• c) Vulcanización

20. Un iniciador es:

• c) Una sustancia capaz de formar un radical libre

21. El proceso de polimerización en cadena se produce:

• a) Vía radicales libres

22. Un plastificante, es un aditivo en la industria polimérica que mejora propiedades tales como:

• II.- Flexibilidad

23. Un material metálico se caracteriza, entre otras cosas, por:

• I.- Alta conductividad eléctrica y térmica
• III.- Alta densidad

24. Los factores que afectan la solubilidad entre dos materiales son:

• I.- Sus volúmenes atómicos
• II.- El tipo de red de Bravais
• III.- Sus electronegatividades
• IV.- Su configuración electrónica

25. Los materiales cerámicos se caracterizan, entre otras propiedades por:

• I.- Ser frágiles
• II.- Ser duros
• III.- Ser malos conductores térmicos
• IV.- Ser aislantes térmicos

26. Una de las principales diferencias entre las curvas tensión-deformación real y de ingeniería se refiere a:

• c) La consideración del fenómeno de encogimiento (estricción, o estrechamiento) de la probeta

27. El origen etimológico de la palabra cerámico indica que este tendrá características:

• c) Necesidad de ser procesado a alta temperatura

28. Un material refractario es:

• c) Un cerámico de baja conductividad térmica

29. Los principales componentes del cemento son:

• d) Clinker y yeso

30. Sinterización es un proceso mediante el cual:

• c) Se unen partículas de material