BLOQUE 1: MATERIALES UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES

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1 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES

2 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

3 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA: EL ÁTOMO Masa del átomo más ligero (hidrógeno): 1, gramos Masa del átomos mas pesado (uranio): 250 veces la del hidrógeno ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL NUCLEO El Núcleo está formado por protones (carga eléctrica +) y neutrones (sin carga eléctrica) En la periferia del núcleo hay tantos electrones (carga -) como protones en el núcleo, si el átomo está en EQUILIBRIO. La masa del átomo está concentrada casi en su totalidad en el núcleo. La carga eléctrica del electrón y el protón es de valor q= 1, Culombios UN ELEMENTO CUALQUIERA QUEDA IDENTIFICADO DE LA SIGUIENTE MANERA: Z es el número atómico A es el número másico Átomos de un mismo elemento pueden tener distinto número de Neutrones. Se llaman Isótopos.

4 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LA CORTEZA Los electrones se mueven en la corteza a una distancia enorme del núcleo existiendo vacíos inmensos de materia. El electrón gira alrededor del núcleo en orbitas elípticas. La masa del electrón es pequeña. Los electrones se distribuyen alrededor del núcleo en capas orbitales, cuyo número máximo de electrones es el que se indica en la tabla

5 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL ÁTOMO DE HIDROGENO El modelo en estudio es el del átomo de hidrógeno por ser el más simple, (1 protón + y un electrón -). El átomo tiene una carga + y -. El electrón no es atraído al núcleo debido a la fuerza centrífuga en su giro en la capa orbital. El electrón en estado normal está en la órbita de radio menor (K). Si le comunicamos energía saltará a capas de mayor energía. Al contrario ocurre que el electrón se aproxima a capas cercanas al núcleo pierde energía La ley de Planck. E = h v h es constante de plank 6, JS v es la frecuencia de radiación El electrón alrededor del núcleo se caracteriza por cuatro números cuánticos. Número cuántico principal (n). Indica el nivel energético del orbital 1,2,3 para las capas K,L,M;. Número cuántico secundario (l). Indica un subnivel. Número l: 0,1,2, y las letras Del subnivel: s,p,d,f Número cuántico magnético (m): Tiene poca influencia sobre la energía del electrón. Número cuántico de spin: Indica las dos direcciones de spin en el giro del electrón sobre su eje.

6 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL ÁTOMO

7 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES SISTEMA PERIÓDICO DE ELEMENTOS: Meyer y Mendeleiev (1871)

8 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES: ENLACES Los átomos se unen entre si para formar materiales mediante una energías llamadas enlaces ENLACE IÓNICO: Se forma por atracción electrostática de iones de signos contrarios. Características: Poseen elevados puntos de fusión y ebullición. Casi todos son solubles en agua. Son sólidos a temperatura ambiente. Fundidos o en disolución son buenos conductores de la electricidad. Unidos por fuerzas electrostáticas muy intensas. Formados por iones de signo opuesto entre si. ENLACE COVALENTE: Átomos de igual polaridad que comparten electrones periféricos. Características: Sólidos, líquidos y gaseosos a temperatura ambiente. Puntos de fusión y ebullición bajos. Enlace típico de elementos no metálicos. ENLACES METÁLICOS: Es importante a nivel tecnológico. Originan los metales. Empaquetamiento de átomos cuyos electrones de la última capa forman una nube electrónica que envuelven a los átomos y tienen gran movilidad. Características: Son todos sólidos excepto el Mercurio. Conducen el calor y la electricidad con facilidad. Tienen brillo metálico característico. Son opacos. Son insolubles al agua. Son ductiles y maleables por forja. Se pueden trabajar y estirar a distintas temperaturas.

9 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES: ENLACES ENLACE RESIDUAL O DE VAN DER WAALS: Son enlaces débiles debido a que las fuerzas atractivas Los originan son débiles. Es muy típico en los compuestos de carbono como el grafito. RESUMEN DE ENLACES

10 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS. GENERALIDADES La materia se presenta en tres estados: Sólido liquido y gas. Un mismo material presenta diferencias muy importantes dependiendo del estado. Los líquidos y gases presentan estructura desordenada. Los sólidos presentan una ordenación de los átomos mas regular: Sólido amorfo ó sólido cristalino. Sólido amorfo: las partículas qu lo componen no tienen orden, relación o distancia entre ellas Sólido cristalino: Presenta los átomos, iones o moléculas ordenadas en posiciones regulares y repetidas en el espacio, siguiendo formas geométricas. La repetición tridimensional con la que se ordenan los sólidos cristalinos se denomina celdilla unidad y el conjunto de varias celdillas unidas entres si se denomina red o retícula.

11 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES CRISTALES Cristal es cualquier sólido que presenta una estructura interna ordenada. Los métales se obtienen generalmente por fusión, su estructura interna esta constituida por cristales que se forma durante la solidificación. Un cristal elemental es el resultado de las posiciones que toman los átomos durante la solidificación. RED CRISTALINA Red cristalina: Los átomos de un material se disponen en forma regular a lo largo de los ejes y planos.

12 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES RED CRISTALINA Las redes cristalinas se presentan en las siguientes formas: Sencilla o cúbica simple. En ella los átomos ocupan los vértices de la celda unidad. Centradas en el cuerpo. Un átomo ocupa el centro de la celda unidad. Centradas en las caras. Existen átomos situados en los centros de las caras de la celda unidad. Centradas en la base. Dos átomos se sitúan en el centro de las caras opuestas de la celda unidad. Catorce tipos de celdas unidad estudiadas por Bravais

13 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES REDES CRISTALINAS DE LOS METALES Las redes que nos interesa estudiar son aquellas en las que cristalizan los metales. La mayoría cristaliza Cúbica centradas en las caras (FCC) Cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Hexagonal compacta (HCP). En las redes cristalinas es necesario conocer dos valores significativos: El índice de coordinación. Definido por el número de átomos que rodean al átomo de la celda unidad. El número de átomos. En una celda unidad. El factor de empaquetamiento atómico. es la fracción de espacio ocupado por sus átomos.

14 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ESTUDIO DE ESTRUCTURA CÚBICA SIMPLE El índice de coordinación es de 6 El número de átomos por celda elemental es 1 ESTUDIO DE ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO (BCC) El índice de coordinación es de 8 El número de átomos por celda elemental es 2 La relación entre la arista (a) y el radio atómico (R) Factor de empaquetamiento BCC: 0,68 (68%)

15 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ESTUDIO DE ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN CARAS (FCC) El índice de coordinación es de 12 El número de átomos por celda elemental es 4 La relación entre la arista (a) y el radio atómico (R) Factor de empaquetamiento FCC: 0,74 (74%) ESTUDIO DE ESTRUCTURA HEXAGONAL COMPACTA (HCP) El índice de coordinación es de 12 El número de átomos por celda elemental es 6 Factor de empaquetamiento HCP: 0,74 (74%)

16 VALORES DE RADIO ATÓMICO Y ARISTA EN ESTRUCTURA BCC Y FCC UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES PARÁMETROS MÁS INTERESANTES DA LAS REDES CRISTALINAS

17 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES CRISTALIZACIÓN. FORMACIÓN DEL GRANO Los materiales metálicos se obtienen por fusión de sus componentes y posterior solidificación por distintos procedimientos. Los átomos, iones, moléculas o conjunto de moléculas, al descender la temperatura se ordenan en una red cristalina, constituyendo germenes en distintos de la masa líquida. Cada germen va aumentando de tamaño has ta encontrarse con la cristalización de otro germen que le impide seguir adelante. Cada germen ha formado un grano. Si hay pocos germenes el tamañp del grano será grande. Si hay muchos el tamaño será pequeño. Existen procedimientos para controlar el número de germenes. El tamaño del grano vará entre 0,02 y 0,2 mm Las propiedades de los materiales metálicos varía en función del tamaño del grano.

18 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ASPECTOS GENERALES DE LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA Y ELÁSTICA Cualquier material metálico al estar sometido a un esfuerzo sufre una deformación. Si el material recupera su forma primitiva es una deformación elástica. Si el material permanece deformado es una deformación plástica. Deformación elástica Deformación plástica

19 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ACRITUD Y RECRISTALIZACIÓN Al someter a un material metálico a esfuerzos en frío, produciendo deformaciones el material adquiere mayor dureza y fragilidad, conocido como acritud. Si al material lo volvemos a calentar a cierta temperatura pierde la dureza y fragilidad. El proceso se denomina recristalización. POLIMORFISMO Y ALOTROPÍA Hay elementos y compuestos que presentan distintas estructuras dependiendo de la temperatura y presión. Polimorfismo: Sustancias que teniendo la misma naturaleza cristalizan de distinta forma. Alotropía: Cuando las sustancias polimorfas son elementos puros.

20 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

21 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ENSAYO DE TRACCIÓN TENSIÓN Y DEFORMACIÓN Tensión Deformación ENSAYO DE TRACCIÓN

22 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ANÁLISIS DE UN DIAGRAMA DE TRACCIÓN (gráfica del ensayo) Tensión σ=f/s0 Tensión de rotura Límite elástico Alargamiento unitario (adimensional) ε=δl/l0 Zona elástica (OE) Zona de proporcionalidad (OP). Es la zona donde deben trabajar los materiales. Zona de no proporcionalidad (PE) Zona plástica (ES) Zona límite de rotura (ER). Zona plástica con deformaciones permanentes. Zona de rotura (RS). Aunque bajemos la tensión el material sigue alargando. Se produce la rotura en S

23 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES Hay algunas excepciones en la gráfica del ensayo, como en el acero. Límite de fluencia Tensión de fluencia Fluencia (alargamiento rápido) Ley de Hooke (Aplicable en la zona de proporcionalidad) E es la tg α y se conoce por módulo elástico o módulo de Younng.

24 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES Tensiones máximas de trabajo. Cuando se diseña una pieza hay que realizarla para que no trabaje en la zona de deformaciones plásticas. Para ello se establece una tensión máxima de trabajo σt. Su valor debe ser inferior al valor del límite de proporcionalidad σp.

25 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ENSAYO DE DUREZA Dureza: Resistencia de un material a ser rayado o penetrado por una pieza de otro material Durómetro

26 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ENSAYO DE DUREZA ENSAYO BRINELL (UNE ) Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el material a ensayar por medio de una carga F y durante un tiempo determinado. S =πdf f = 1/2(D- (D2-d2) HB: Dureza en grados Brinell. (Kgf/mm2) F: Carga aplicada en Kg. S: Área del casquete en mm2. D: Diámetro de la Bola (mm) f: Profundidad de la huella (mm) D: Diámetro de la huella. (mm). K: Constante de proporcionalidad según el material Debe cumplir el ensayo D/4 < d < D/2 F = K D2

27 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ENSAYO DE DUREZA Esquema de una medición de este tipo de dureza (ENSAYO BRINELL ) Dureza Tipo de Ensayo Diámetro de la bola Fuerza aplicada Tiempo del Ensayo Ejemplo: 1 Kp/mm2 HB HB 10 mm 500 Kp 30 Donde las unidades son: Segundos

28 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ENSAYO DE DUREZA ENSAYO VICKERS (UNE ) El penetrador es una pirámide regular de base cuadrada de diamante. Se recomienda el ensayo para durezas superiores de 500 HB Se utiliza para materiales duros y blandos. La carga suele ser de 1 a 100 Kp. HV: Dureza en grados Vickers. (Kgf/mm2) F: Carga aplicada en Kg. S: Área lateral de la huella en mm2. Huella

29 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ENSAYO DE DUREZA ENSAYO ROCKWELL (UNE ) MUY USADO POR RÁPIDO. MENOS EXACTO QUE OTROS. SE MIDE LA PROFUNDIDAD HUELLA Materiales blandos ( HV), se usa bola acero de 1,59 mm. (HRB) Materiales blandos ( HV), se usa diamante cónico 120º. (HRC) MÉTODO DE ENSAYO Precarga de 10 kp para h1 Resto de carga (90 y 140) para h2 Reducción hasta precarga para h3 e= h3 h1 HRC = 100 e HRB = 130 e Cada 0,002 mm es una división en la escala Rockwell.

30 UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES ENSAYO DE RESILIENCIA ENSAYO CHARPY (UNE ) ρ = Ep/S ρ: Resiliencia ( Julios/ cm2) Ep: Energía absorbida en la rotura S: Sección de la probeta ρ