Asignatura: Materiales II Grado en Ingeniería de la Edificación Curso Académico 2013/14 Curso 2º 2º Cuatrimestre Objetivos de la Asignatura: Conocer las características químicas, físicas y mecánicas, durabilidad y protección de los materiales metálicos y orgánicos empleados en la construcción, sus procesos de elaboración, la normativa y la metodología de los ensayos de determinación de sus características, su origen geológico, del impacto ambiental, el reciclado y la gestión de residuos. Conocer los materiales y productos constructivos metálicos y orgánicos tradicionales o prefabricados empleados en la edificación, sus variedades y las características físicas y mecánicas y las aplicaciones constructivas que los definen. Capacidad para adecuar los materiales de construcción metálicos y orgánicos a la tipología y uso del edificio, gestionar y dirigir la recepción y el control de calidad de los materiales, su puesta en obra, el control de ejecución de las unidades de obra y la realización de ensayos y pruebas finales.
Contenidos de la Asignatura: Parte SEMANAS Total Horas dedicación Alumno (6 ECTS) MATERIALES Y PRODUCTOS METÁLICOS MADERAS MATERIALES POLIMÉRICOS RECEPCIÓN DE MATERIALES 5 SEMANAS 60 horas 3 SEMANAS 40 horas 3 SEMANAS 30 horas 1 SEMANA 20 horas TOTAL 150 horas Desarrollo de la Asignatura: Número de horas presenciales: 56 Número de horas para clases teóricas, teórico-prácticas, prácticas en gran grupo o grupos más reducidos Número de horas del trabajo propio del estudiante: 94 Número de horas de estudio autónomo: (estudio independiente, elaboración trabajos, ejercicios) Clases Presenciales (Obligatorias) : 12 Clases de Teoría (Martes) 12 Clases de prácticas (Jueves o Viernes) 2 Prácticas de Larga Duración (M o X alternos)
Prácticas de la Asignatura: Prácticas en horario lectivo: 1. Propiedades físicas y mecánicas de los materiales metálicos. Ejercicios 2. Comportamiento de los materiales metálicos 3. Productos metálicos para estructuras. Acero laminado. 4. Productos metálicos para estructuras. Acero corrugado. 5. Propiedades de la madera. 6. Aplicaciones estructurales maderas. 7. Reconocimiento e identificación de Productos Derivados de la Madera 8. Aplicaciones de los Productos Derivados de la Madera. 9. Reconocimiento de Materiales Poliméricos, Plásticos y materiales compuestos. 10. Reconocimiento de Materiales Bituminosos y Pinturas. 11. Recepción de Materiales: Elaboración de documentación 12. Seminario de Recepción de Materiales. Prácticas de larga duración: 1. Reconocimiento de materiales en arquitecturas construidas: Metales, Maderas y Plásticos. 2. Procedimientos de recepción de materiales y productos de construcción. Desarrollo de la Asignatura: Semana (Lunes) Martes (2 horas T) Prácticas (J ó V, 1,5 h P) P Largas 45 min 1 (27 Ene) TEMA 1 PRÁCTICA 1 2 (3 Feb) TEMA 2 PRÁCTICA 2 3 (10 Feb) TEMA 3 PRÁCTICA 3 4 (17 Feb) TEMA 4 PRÁCTICA 4 5 (24 Feb) TEMA 5 PRÁCTICA 5 Presentación PL1 Identificación PL1 6 (3 Mar) TEMA 6 PRÁCTICA 6 Evaluación PL1 7 (10 Mar) TEMA 7 PRÁCTICA 7 8 (17 Mar) TEMA 8 PRÁCTICA 8 9 (24 Mar) TEMA 9 PRÁCTICA 9 10 (31 Mar) TEMA 10 PRÁCTICA 10 11 (7 Abr) TEMA 11 PRÁCTICA 11 Presentación PL2 Identificación PL2 12 (21 Abr) TEMA 12-Sem. 1 PRACT 12-Seminario 2 Evaluación PL2
Criterios de Evaluación: EVALUACIÓN CONTINUA: Adquisición y comprensión de contenidos (tests de conocimientos en clase de teoría y examen teórico-práctico final) 60 %. Aplicación de los contenidos a casos prácticos (prácticas en horario lectivo) 20 % Realización de trabajos tutelados (prácticas de larga duración) 20 %. EXAMEN FINAL (Examen + Ejercicio PL) (Hay que solicitarlo en la Escuela) Tema 1: Materiales Metálicos: Microestructura y propiedades físicas 1. Microestuctura de los materiales. 2. Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica. 3. Enlaces metálicos. 4. Microestructura cristalina metálica. 5. Metales monofásicos y polifásicos: aleaciones y diagramas de fase. 6. Durabilidad y protección de metales. MATERIALES II Curso 2013-2014. Ingeniería de la Edificación. Campus de Guadalajara Profesor Gonzalo Barluenga Badiola
Microestuctura de los materiales. Las propiedades y características de los Materiales de Construcción dependen de la configuración y sustancias que la componen y de las fuerzas que existen entre ellas. Los materiales se pueden estudiar a distintos niveles. Cada nivel de estudio proporciona diferentes grados de conocimiento. Las herramientas de estudio se corresponden con las diferentes Escalas de observación. Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica. Escala Tecnológica: se observa el material en su conjunto (macroscópica). Se aprecian las propiedades organolépticas y tecnológicas Escala microestructural: Es el nivel de se diferencia la estructura del material. Se manifiestan las fuerzas de adhesión. Escala atómica: Se estudia la materia a niveles de átomo y organización molecular. Se distinguen las fuerzas electromagnéticas (atómicas).
Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica. Escala Atómica Escala Microestructural Escala Tecnológica Estructura metálica
El átomo como unidad básica. Los elementos químicos se pueden clasificar en función de su electronegatividad en: Metales: Tienen electronegatividad baja. Forman cationes (iones positivos) por pérdida de electrones. No Metales: Tienen electronegatividad alta. Forman aniones (iones negativos) por ganacia de electrones. El átomo como unidad básica. Tabla Periódica de los Elementos Químicos Los elementos se designan por su símbolo químico. La electronegatividad cuantifica la capacidad de los átomos de atraer electrones.
Características derivadas del enlace metálico Isótropos (propiedades iguales en todas direcciones) Densos. Insolubles en disolventes polares (agua). Físicas Conductores eléctricos Conductores térmicos Incombustibles (en condiciones normales) Alto coeficiente de dilatación Mecánicas Dúctiles y maleables Comportamiento elásto-plástico Alta resistencia a compresión y tracción
(V. P. Silva 2006) (V. P. Silva 2006)
(V. P. Silva 2006) Microestructura de los materiales sólidos Los materiales sólidos pueden tener diferentes tipos de microsestructura: Según su orden: Cristalino: ordenado. Amorfo: desordenado Según su composición: Monofásicas: un único componente. Polifásicas: dos o más componentes.
Microestructura cristalina (cobre) Defectos en sólidos cristalinos. Son discontinuidades en la organización espacial del cristal. Influyen en las propiedades mecánicas, físicas y químicas de los materiales cristalinos. Tipos: Puntuales Lineales (dislocaciones) Superficiales (fronteras de grano)
Defecto lineal: Dislocación en un material de composición ULaO 2. Defecto extenso: Macla en un óxido mixto de uranio y lantano. Microscopio TEM (transmisión electrónica) Defectos puntuales Alteraciones o discontinuidades puntuales de la red cristalina provocadas por uno o varios átomos. Origen: movimiento de átomos durante el calentamiento o el procesado del material, introducción de impurezas o por aleación. Tipos: Vacantes: falta un átomo en la red cristalina Defectos intersticiales: hay un átomo en un hueco de la red cristalina Defecto substitucional: Substitución de un átomo por otro distinto
Defectos puntuales Vacancia Intersticial Sustitución Sustitución Intersticial + vacancia Vacancia doble Defectos lineales (Dislocaciones) Imperfecciones o irregularidades lineales en una red ideal o perfecta. Origen: proceso de solidificación o proceso de moldeado. Tipos: De borde: hay un plano de átomos adicional De tornillo: por cizalladura del cristal Mixta:
Defectos lineales (Dislocaciones) Defecto de borde Defecto de tornillo Deslizamiento de las Dislocaciones 1. Al aplicar un esfuerzo cortante, la dislocación puede romper los enlaces de los planos atómicos contiguos 2. Los planos con enlaces rotos se desplazan ligeramente y en sentido contrario para reestablecer sus enlaces atómicos. 3. Esta recombinación hace que la dislocación se desplace. 4. Finalmente el material queda deformado.
Importancia del deslizamiento de las Dislocaciones 1. El deslizamiento de las dislocaciones explica por qué la resistencia mecánica de un metal es menor de lo esperable (enlace metálico). 2. El deslizamiento proporciona ductilidad al material (facilidad de deformación). De no existir deslizamiento, el material sería frágil (enlace iónico y covalente puro). 3. Controlar el movimiento de las dislocaciones (introducir impurezas, defectos, solidificación, etc.) permite controlar las propiedades mecánicas del material. Defectos superficiales Fronteras superficiales, interfases o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas orientaciones (material policristalino). Tipos: Bordes de grano: límites entre cristales Superficies libres: en contacto con el ambiente Planos de Macla: cambio de orientación en el grano
Microestructura cristalina (metales) Defectos superficiales
Características derivadas de los defectos Los defectos puntuales: Aumentan la resistencia (traban las dislocaciones). Disminuyen la conductividad eléctrica y térmica. Los defectos lineales: Disminuyen la resistencia. Aumentan la ductilidad y la plasticidad. Los defectos superficiales: Influyen en la adherencia, corrosión, dureza, brillo, etc. Fronteras de grano: cortan el desplazamiento de dislocaciones. Sólidos monofásicos y polifásicos. Disolución: mezcla de dos sustancias en la que una pierde su identidad física. Dispersión: mezcla de dos o más sustancias en que cada una mantiene su estado y naturaleza. Se llama FASE a cada una de las sustancias que se distinguen en una dispersión. El Material formado por una fase se llama monofásico u homogéneo. El Material formado por varias fases se llama polifásico o heterogéneo.
Sólidos polifásicos. En los sólidos polifásicos, las fases pueden: Formar sistema: existe relación entre las fases. Al variar una varía la otra. Ambas dependen de las condiciones de presión y temperatura. Se trata de un Material Polifásico (por ejemplo, el acero). No formar sistema: Las fases son independientes. Se trata de un Material Compuesto. Diagramas de fase. Representa las fases y composición existentes en un sistema polifásico, a una temperatura determinada. Se utilizan para obtener aleaciones metálicas en procesos industriales (metalurgia y siderurgia). Diagrama de fases binario (dos fases)
Aleaciones metálicas Son mezclas de metales (o en las que predominan los metales) que forman sistema (materiales polifásicos). En algunos casos, las aleaciones son soluciones líquidas (temperatura de fusión) que se transforman en dispersiones al enfriarse. La presencia de diferentes fases modifica las propiedades del material. Aleaciones utilizadas en construcción: Aleaciones ferrosas: Aceros y fundiciones Aleaciones no ferrosas: Bronce (cobre y estaño) Latón (cobre y cinc) Durabilidad de materiales metálicos Los metales pueden sufrir degradación por diferentes fenómenos: Oxidación: por combinación con oxígeno. Se forman costras de óxido metálico que pueden ser impermeables y proteger al metal (cobre) o permeables (herrumbre u orín en el hierro). Corrosión: Debida a la exposición de los metales a los agentes ambientales (humedad, CO 2 o sales) o a la presencia de otros metales con diferente electronegatividad (pares galvánicos). Fuego: Plastificación con la temperatura.
Protección de materiales metálicos Existen diferentes maneras de proteger los metales frente a la degradación (oxidación + corrosión): Evitando el contacto entre metales diferentes. Interposición de láminas poliméricas entre metales con diferente electronegatividad. Interponiendo materiales con menor electronegatividad (manguitos de sacrificio en conducciones de agua) Modificando su Composición (Acero inox.) Mediante Tratamientos superficiales: Recubrimientos electrolíticos (galvanizado) Pinturas y lechadas (reposición periódica) Tema 1: Materiales Metálicos: Microestructura y propiedades físicas 1. Microestuctura de los materiales. 2. Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica. 3. Enlaces metálicos. 4. Microestructura cristalina metálica. 5. Metales monofásicos y polifásicos: aleaciones y diagramas de fase. 6. Durabilidad y protección de metales.
Glosario de conceptos del Tema Microestructura Sólidos monofásicos Durabilidad Escalas de observación Disolución Oxidación Enlace metalico Dispersión Corrosión Cristales metálicos Sólidos polifásicos Efecto del fuego Defectos cristalinos Materiales compuestos Protección de metales Defectos puntuales Dislocaciones Deslizamiento de las dislocaciones Defectos superficiales Diagramas de fase Aleaciones metálicas Bibliografía de consulta recomendada. Callister, W.; Ciencia e ingeniería de materiales, Ed. Reverté, 1995. Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 1998.