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 2018-2019. Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesora Ana M.ª Marín Palma
• 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.
Microestructura de los materiales
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Escalas de observación: atómica, microestructural y tecnológica
• Escala atómica: estudia la materia a niveles de átomo y organización molecular. Se distinguen las fuerzas electromagnéticas (atómicas).
• Escala microestructural: se diferencia la estructura del material. Se manifiestan las fuerzas de adhesión.
• Escala tecnológica: se observa el material en su conjunto (macroscópica). Se aprecian las propiedades organolépticas y tecnológicas.
Escala Tecnológica Escala Atómica Escala
Microestructural
El átomo como unidad básica
• El átomo es la entidad más pequeña que influye directamente en las propiedades de los materiales.
• El átomo está constituido por un núcleo formado por protones (partículas con carga eléctrica positiva) y por neutrones (eléctricamente neutros).
• El núcleo es donde se concentra toda la masa.
• Los electrones son partículas elementales con carga negativa y orbitan alrededor del núcleo a distancias especificas en una o más capas (capas electrónicas).
• Se denomina nube electrónica a los electrones que se encuentran alrededor del núcleo y determinan el modo en que un átomo interactúa con otros átomos.
• La capa de electrones más interna de un átomo solo contiene 2 electrones (excepto H). La capa más externa no tiene más de 8 electrones.
• Los electrones de la capa externa son los que normalmente están implicados en el enlace químico.
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• En un elemento, el número de protones en su núcleo determina su identidad y su número atómico.
• Cada elemento tiene su propio número atómico característico. Ej.: El hidrogeno (H) → tiene 1 protón en su núcleo y por tanto su número atómico es de 1.
• Los átomos tienen un número de masa atómica: protones + neutrones del núcleo (los electrones apenas aportan masa a los átomos).
• Átomos del mismo elemento químico pueden tener números másicos diferentes, porque el número de neutrones puede variar. Ej.: El carbono tiene 6 protones, pero el número de neutrones puede variar entre 6, 7 y 8 → hay tres isótopos del carbono, cada uno de ellos con un número másico diferente → Carbono 12, Carbono 13 y Carbono 14.
• Los isótopos de un elemento tienen el mismo comportamiento químico.
El átomo como unidad básica
• La disposición de los electrones en un átomo aislado da origen a la tabla periódica.
• De la tabla se puede extraer las características químicas y de formación de enlaces de los elementos.
• Estas características establecen el tipo y la fuerza de los enlaces que el elemento puede formar con otros elementos.
• El tipo y la fuerza del enlace determinan las propiedades físicas y mecánicas del material sólido que se forma.
Filas → períodos
Columnas→grupos
• Los elementos se designan por su símbolo químico.
• Están ordenados por su número atómico (número de protones), por su configuración de electrones y sus propiedades químicas.
• Los elementos de una misma columna tienen un comportamiento similar.
Tabla periódica
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• La electronegatividad de un elemento mide su tendencia a atraer hacia si electrones, cuando está químicamente combinado con otro átomo.
• 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 ganancia de electrones.
Electronegatividad
• Prácticamente todas las sustancias que encontramos en la naturaleza están formadas por átomos unidos.
• Las intensas fuerzas que mantienen unidos los átomos en las distintas sustancias se denominan enlaces químicos.
• Los átomos se unen porque, al estar unidos, adquieren una situación más estable que cuando estaban separados.
• Esta situación de mayor estabilidad suele darse cuando el número de electrones que poseen los átomos en su último nivel es igual a ocho (estructura de los gases nobles).
• Existen tres tipos principales de enlaces químicos: enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico.
• Estos enlaces condicionan las propiedades de las sustancias que los presentan.
Enlace químico
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Enlace iónico: Cuando átomos de elementos metálicos (períodos 1, 2 y 3) se encuentran con átomos no metálicos (períodos 16 y 17).
Enlaces covalentes: Son fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos no metálicos (elementos situados a la derecha en la tabla periódica -C, O, F, Cl, ...).
Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo (electrones de valencia) y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos. Por tanto, los átomos no metálicos no pueden cederse electrones entre sí para formar iones de signo opuesto. El enlace se forma al compartir un par de electrones entre los dos átomos, uno procedente de cada átomo. El par de electrones compartido es común a los dos átomos y los mantiene unidos. Se forman así habitualmente moléculas (pequeños grupos de átomos unidos entre sí por enlaces covalentes).
Tipos de enlace
Enlace metálico: Los electrones de la capa más externa se mueven fácilmente de un átomo a otro.
Los metales se caracterizan por poseer un número pequeño de electrones en la capa exterior de los átomos. Según la teoría del enlace metálico, estos electrones forman un gas electrónico, que ocupa bandas limitadas en el seno del metal y pueden pasar fácilmente de unas a otras, lo que justifica la relativa libertad de que disponen dentro de la red. Así los metales estarían constituidos por cationes, (átomos que han perdido electrones) con posiciones fijas y nubes de electrones pertenecientes al conjunto.
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_int eractiva_materia/curso/materiales/enlaces/metalico.htm
Tipos de enlace
Iónico Covalente Metálico
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• Los materiales sólidos pueden tener diferentes tipos de microestructura:
• Según su orden:
• Según su composición:
Monofásicas: un único componente.
Polifásicas: dos o más componentes.
Cristalino: ordenada y periódica.
Amorfo: desordenada.
Microestructura de los materiales sólidos
• 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 cristalizan en tres redes:
- Red cúbica centrada (CC, BCC): hierro alfa, vanadio, cromo, titanio, molibdeno, etc.
- Red cúbica de caras centradas (CCC, FCC): hierro gamma, cobre, aluminio, oro, plomo, níquel, plata, etc.
- Red hexagonal compacta (HC, HCP): magnesio, berilio, cinc, cadmio, etc.
Microestructura de los materiales metálicos
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• Isótropos (propiedades iguales en todas direcciones)
• Densos.
• Insolubles en disolventes polares (agua).
• Físicas
• Mecánicas
Conductores eléctricos.
Conductores térmicos.
Incombustibles (en condiciones normales).
Alto coeficiente de dilatación.
Dúctiles y maleables.
Comportamiento elásto-plástico.
Alta resistencia a compresión y tracción.
Propiedades derivadas de la estructura
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(V. P. Silva 2006)
(V. P. Silva 2006) 15
• Son discontinuidades en la organización espacial del cristal.
• Influyen en las propiedades mecánicas, físicas y químicas de los materiales cristalinos.
• Tipos: - Puntuales.
- Superficiales (fronteras de grano).
- Lineales (dislocaciones).
Defectos en sólidos cristalinos
• 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.
· Aleación.
• Tipos:
- Vacantes: falta un átomo en la red cristalina.
- Defecto substitucional: Substitución de un átomo por otro distinto.
- Defectos intersticiales: hay un átomo en un hueco de la red cristalina.
Defectos puntuales
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Vacancia Intersticial Sustitución
Sustitución Intersticial + vacancia Vacancia doble
Defectos puntuales
• Imperfecciones o irregularidades lineales en una red ideal o perfecta.
• Origen: proceso de solidificación o proceso de moldeado.
• Tipos:
- Cuña (borde o arista): hay un plano de átomos adicional
- Mixta: combinación de las anteriores - De tornillo: por cizalladura del cristal
Defectos lineales: dislocaciones
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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:
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.
• Fronteras superficiales, interfases o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas orientaciones cristalográficas (material policristalino).
• Tipos: - Bordes de grano: límites entre cristales
- Planos de Macla: cambio de orientación en el grano - Superficies libres: en contacto con el ambiente
Defectos superficiales
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Defecto lineal:
Dislocación en un material de composición ULaO2.
Defecto extenso:
Macla en un óxido mixto de uranio y lantano.
Microscopio TEM (transmisión electrónica)
• 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.
Características derivadas de los defectos
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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.
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.
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.
Sólidos monofásicos y polifásicos
• 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 (hierro y carbono).
Aleaciones no ferrosas: Bronce (cobre y estaño) Latón (cobre y cinc)
Aleaciones metálicas
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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, sales.
• Debida a la presencia de otros metales con diferente electronegatividad (pares galvánicos).
• Fuego: Plastificación con la temperatura.
Durabilidad de materiales metálicos
• Empleo de metales o aleaciones autoprotectoras para la fabricación de las piezas → en contacto con el ambiente forman una capa de óxido que actúa como barrera impermeable, aislando el metal del ataque del ambiente. Ej.: utilización de planchas de cobre para cubiertas.
• Empleo de metales (cromo, níquel, platino, oro, tantalio y wolframio) o aleaciones anticorrosivas (acero inoxidable) para la fabricación de la pieza.
• Pulido de la superficie de los metales → quede una superficie homogénea, sin huecos y resaltos → se evita la existencia de zonas de aireación diferencial, la capa protectora dura más.
• Evitar los efectos mecánicos: roces, golpes que rompan la fina capa de recubrimiento del metal → dejando zonas de la superficie sin proteger.
• Evitar la formación de pares galvánicos (contacto dos metales de distinto carácter electroquímico) → aislando eléctricamente cada uno de ellos.
• Aislar el metal del agente corrosivo recubriendo la pieza con un material aislante que actúe como pantalla entre el metal y el medio.
Medidas preventivas
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•Por recubrimientos metálicos: Depositar sobre la pieza metálica una capa de otro metal autoprotector lo más compacta y adherente posible. Ej.: Para proteger el hierro y el acero se utiliza el zinc: menos noble y barato.
• Por recubrimientos no metálicos:
• Oxidación superficial: Se provoca la formación en la superficie de la pieza a proteger, de una capa de óxido autoprotectora, de espesor adecuado, en función de las condiciones del medio agresivo (procedimiento muy eficaz). Ej.: anodizado en el aluminio.
• Recubrimientos con pinturas: Aplicación de una capa de un producto líquido o pastoso, que una vez seco el producto, se origine sobre la superficie de la pieza una película solida, adherente protectora, continua, que aísle el metal del agente agresivo. Esa capa tiene dos funciones: protectora y decorativa.
Sistemas de protección
•Microestructura •Sólidos monofásicos •Durabilidad
•Escalas de observación •Disolución •Oxidación
•Enlace metálico •Dispersión •Corrosión
•Cristales metálicos •Sólidos polifásicos •Efecto del fuego
•Defectos cristalinos •Materiales compuestos •Protección de metales
•Defectos puntuales •Diagramas de fase
•Dislocaciones •Aleaciones metálicas
•Deslizamiento de las dislocaciones
•Defectos superficiales
Glosario de conceptos del Tema
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• Callister, W.; Ciencia e ingeniería de materiales, Ed. Reverté, 1995.
• Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 1998.
Bibliografía
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