Tema 1: Materiales Metálicos: Microestructura y propiedades físicas

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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 2017-2018. Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesora Ana M.ª Marín Palma

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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.

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Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica.

• Escala atómica: se 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.

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Escala Tecnológica

Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica.

Escala Atómica Escala Microestructural

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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 partículas con carga eléctrica positiva denominadas protones y por neutrones que son 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.

• 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.

• Los electrones de la capa externa son los que normalmente están

implicados en el enlace químico.

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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

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El átomo como unidad básica.

• 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.

Filas  períodos

Columnasgrupos

https://www.ptable.com/?lang=es

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El átomo como unidad básica.

• 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 ganacia de electrones.

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http://concurso.cnice.mec.es/cnice 2005/93_iniciacion_interactiva_m ateria/curso/materiales/enlaces/met alico.htm

Enlace metálico

Los electrones de la capa más externa se mueven fácilmente de un átomo a otro.

Los electrones están deslocalizados.

La movilidad de los electrones de los átomos explica que los metáles tengan un brillo metálico, proporcionen una buena conductividad térmica, eléctrica, sean tenaces, dúctiles opacos y puedan cambiar facilmente de forma.

Los metáles tienen un empaquetamiento más

denso  mayor densidad.

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Características derivadas del enlace metálico

• 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

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(V. P. Silva 2006)

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(V. P. Silva 2006)

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(V. P. Silva 2006)

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Microestructura de los materiales sólidos

• 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 periodica.

Amorfo: desordenada.

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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

Superficiales (fronteras de grano)

Lineales (dislocaciones)

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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

· 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

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Defectos puntuales

Vacancia Intersticial Sustitución

Sustitución Intersticial + vacancia Vacancia doble

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Defectos lineales (Dislocaciones)

• 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

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Defectos lineales (Dislocaciones)

Defecto de borde

Defecto de tornillo

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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.

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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.

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Defectos superficiales

• 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

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Defectos superficiales

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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)

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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.

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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.

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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.

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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)

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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)

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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.

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