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EL ÁTOMOPodemos considerar el átomo como una estructura eléctrica formada por la agrupación de partículas elementales. Diferenciamos:• El núcleo, de carga positiva y con la masa atómica concentrada en él.• La corteza, formada por electrones, que consideramos exenta de masa.El núcleo está formado por protones y neutrones (nucleones); los protones son los que aportan la carga y su número coincide con el número atómico, Z. Respecto a la composición del núcleo los átomos se denominan:• Isótopos: átomos que tienen el mismo número de protones y distinto de neutrones.• Isótonos: átomos que tienen el mismo número de neutrones y distinto de protones.• Isóbaros: átomos que tienen el mismo número másico.

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Podemos admitir en la corteza del átomo la existencia de niveles energéticos y podemos considerar a los electrones como entes corpusculares que pueden ocuparlos. Los saltos electrónicos de un nivel superior a uno inferior o viceversa se traducen en absorciones o emisiones de energía.La ordenación de los elementos según su configuración electrónica da origen al sistema periódico de los elementos.

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FUERZAS Y ENERGÍAS DE INTERACCIÓN ENTRE ÁTOMOS

Entre los átomos contiguos se desarrollan fuerzas: - De atracción por la naturaleza del enlace o por las atracciones electrostáticas de cada núcleo atómico y la nube electrónica del otro.- De repulsión, debidas a la acción electrostática entre los núcleos atómicos y a la nubes electrónicas entre sí.La energía del enlace es la energía precisa para separar los átomos o moléculas, es decir destruir el enlace.Como consecuencia de las fuerzas interatómicas, los átomos adoptan una posición de equilibrio en función de su temperatura, fundamentalmente y de su presión si son gases.La energía del enlace caracteriza el tipo de enlace atómico y, varía de una sustancia a otra y del estado físico en que se encuentre.

Para muchos átomos la distancia de equilibrio es 3.10-10m = 3 Ǻ una vez conseguida esa posición los átomos contrarrestan los intentos de separación con estas fuerzas de atracción o repulsión,

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ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Y REACTIVIDAD QUÍMICA

Las propiedades químicas de los átomos de los elementos dependen principalmente de la reactividad química de sus electrones mas externos.

Elementos electronegativos y electropositivos.- Los elementos electropositivos son metálicos por naturaleza y ceden electrones en las reacciones químicas para producir iones positivos o cationes. El número de electrones cedidos por un átomo electropositivo en una reacción es representado por un número de oxidación positivo.- Los elementos electronegativos son no metálicos y aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones negativos o aniones. El número de electrones aceptados por un átomo electronegativo de un elemento se representa por un número de oxidación negativo.Los elementos mas electropositivos se encuentran en los grupos 1A y 2A de la Tabla periódica.Los elementos mas electronegativos se encuentran en los grupos 6A y 7A de la Tabla periódica.Algunos elementos que se encuentran entre los grupos 4A y 7A de la tabla periódica pueden comportarse de una manera electropositiva o electronegativa.

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Electronegatividad.Se define como la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí. La tendencia de un átomo a mostrar un comportamiento electronegativo o electropositivo puede cuantificarse asignando a cada elemento un número de electronegatividad que se mide en una escala desde 0 hasta 4,1.El concepto de electronegatividad ayuda a comprender el comportamiento enlazante de los elementos.

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TIPOS DE ENLACES ATÓMICOS Y MOLECULARESLos átomos en estado enlazado se encuentran en condiciones energéticas mas estables que cuando están libres.- En los enlaces atómicos , intervienen grandes fuerzas interatómicas, pueden ser:• Enlaces iónicos. En éstos se ponen en juego fuerzas

interatómicas debidas a la transferencia de un electrón de un átomo a otro. Es un enlace relativamente fuerte.

• Enlaces covalentes. Corresponden a fuerzas interatómicas creadas por la compartición de electrones.

• Enlaces metálicos. Involucran fuerzas interatómicas creadas mediante la compartición de electrones deslocalizados para formar un enlace fuerte.

- Los enlaces moleculares pueden ser:• Enlaces de dipolo permanente. Corresponden a

enlaces relativamente débiles.• Enlaces de dipolo inducido. Corresponden a enlaces

muy débiles.

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ESTRUCTURA CRISTALINALa estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos, moléculas e iones en el espacio, así como las fuerzas de interconexión entre ellos. Si esta disposición espacial se repite , el sólido tiene estructura cristalina. Los metales, aleaciones y determinados materiales cerámicos tienen estructura cristalina.Una estructura cristalina o la red espacial que la representa, se puede definir como una repetición en el espacio de celdas unitarias. El volumen y la orientación espacial de cada celda unitaria viene caracterizada por tres vectores a, b, c, que convergen en un punto común y tres ángulos, α, β y γ

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SISTEMAS CRISTALINOSCasi todos los metales elementales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales:• BBC ó CC. Cúbica centrada en el cuerpo.• FCC ó CCC. Cúbica centrada en las caras.• HCP. Hexagonal compacta.

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ALOTROPÍADependiendo de las condiciones de presión y temperatura, un mismo elemento o compuesto químico presenta diferentes estructuras cristalinas. A estos diferentes estados los denominamos polimórficos o alotrópicos.Diferentes materiales metálicos presentan transformaciones polimórficas a presión atmosférica y elevadas temperaturas. Por ejemplo: Fe, Co, Ti.

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PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

Definen el comportamiento de los materiales en su utilización industrial, las más importante son:• Elasticidad: capacidad de los materiales de recuperar la forma primitiva cuando cesa

la carga que los deforma.• Plasticidad: capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones

permanentes, sin llegar a la rotura. Cuando esta deformación se presenta en forma de láminas, se denomina maleabilidad, y si se presenta en forma de filamentos, ductilidad.

• Cohesión: es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse.• Dureza: es la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados. • Tenacidad: es la capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas

exteriores.• Fragilidad: es la propiedad opuesta a la tenacidad.• Resistencia a la fatiga: es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos

repetitivos.• Resiliencia: es la energía absorbida en una rotura por impacto.

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CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE ENSAYOS

Atendiendo ala rigurosidad de su ejecución:• Ensayos técnicos de control. Se realizan durante el proceso productivo. Se

caracterizan por su rapidez y simplicidad.• Ensayos científicos. Se realizan para investigar características técnicas de nuevos

materiales. Se caracterizan por su gran precisión.Atendiendo a la forma de realizar los ensayos.• Ensayos destructivos. Los materiales sometidos a este tipo de pruebas ven alterada su

forma y presentación inicial.• Ensayos no destructivos. Los materiales sometidos a este tipo de pruebas no ven

alterada su forma y presentación inicial.Atendiendo a los métodos empleados en la determinación de las propiedades:• Ensayos químicos. Permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa

del material, así como su comportamiento ante los agentes químicos.• Ensayos metalográficos. Estudian la estructura del material, que permite conocer los

tratamientos térmicos y mecánicos que ha sufrido el mismo.

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• Ensayos físicos y físico-químicos. Determinan las propiedades físicas (densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad térmica y eléctrica, etc.), así como las imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas.

• Ensayos mecánicos. Determinan las características elásticas y de resistencia de los materiales sometidos a deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad. Ensayos estáticos de tracción, compresión, cizalladura, flexión y torsión; ensayos de choque o dinámicos ensayos de fatiga y fluencia; ensayos tecnológicos de plegado, doblado, embutición, forjado, etcétera.

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DEFORMACIONES ELÁSTICAS Y PLÁSTICAS

Si un material deformado mediante una fuerza vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza deja de actuar, se ha producido una deformación elástica.Si el material se deforma hasta el extremo de no poder recuperar sus medidas originales cuando cesa la causa de la deformación se ha producido una deformación plástica.

TENSIÓN Y DEFORMACIÓN

Consideramos una varilla cilíndrica de longitud l0 y una sección So0 sometida a una tensión uniaxial F de tracción. Definimos tensión σLa unidad de tensión en el Sistema internacional es1N/m2 = 1 Pascal La deformación será:

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ENSAYO DE TRACCIÓN (UNE 7-474)Consiste en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas, a un sistema de fuerzas exteriores en dirección a su eje longitudinal hasta romperla.

Las probetas están reguladas por las normas:• UNE 7282, preparación• UNE 7262-73, tolerancias en su mecanizado• UNE 7010, recomienda:S = 150 mm2 D = 13,8 mm l0 = 100 mm

Análisis de un diagrama de tracción.Representamos en ordenadas las fuerzas de tracción aplicadas (F) y en abscisas Los alargamientos producidos (Δl). Se observa:-Una primera zona de deformaciones proporcionales a las tensiones.-Una segunda zona donde pequeñas variaciones de tensiones generan grandes deformaciones.

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Más práctica es una curva que relacione las tensiones de una sección trasversal con las deformaciones relativas a la longitud inicial, llamadas alargamientos unitarios.

Eje de abscisas: ε = Δl / l0 (Alargamiento unitario)

Eje de ordenadas: σ = F / S0 (Tensión en una sección trasversal cuando se aplica una fuerza F)Podemos distinguir dos zonas fundamentales:• Zona elástica (OE). Se caracteriza porque al

cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud inicial.

• Zona plástica (ES). En ella el material ha sufrido deformaciones permanentes.

Dentro de la zona elástica se distinguen otras dos zonas:• Zona de proporcionalidad (OP). En ella existe una proporcionalidad entre las

tensiones aplicadas y los alargamientos producidos. En ésta zona deben trabajar los materiales.

• Zona no proporcional (PE). En ella el material se comporta de forma elástica, pero las tensiones y deformaciones no están relacionadas linealmente. No es una zona aconsejable de trabajo para los materiales.

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Dentro de la zona plástica se distinguen otras dos zonas:• Zona límite de rotura (ER). Es la zona plástica donde las deformaciones son

permanentes. En ella pequeñas variaciones de tensión producen grandes alargamientos. El límite es el punto R, llamado límite de rotura, y la tensión aplicada en dicho punto es la tensión de rotura.

• Zona de rotura (RS). Superado el punto R, el material sigue alargándose hasta que se produce la rotura física en el punto S.

Este comportamiento se puede generalizar en los materiales a pesar de que existen algunas excepciones entre las que se encuentra el acero, que presenta una peculiaridad consistente en la existencia de una zona localizada por encima del límite elástico donde se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada, fenómeno conocido como fluencia. En el punto F encontramos el límite de fluencia y la tensión de fluencia.

Diagrama de tracción del acero

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LEY DE HOOKELas deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las tensiones que las producen. Tensión / Deformación = tg α = constante

Aplicación de la Ley de Hooke al ensayo de tracción

Aplicable a la zona de proporcionalidad (OP)

• En el diagrama (F – Δl) tenemos:F / Δl = constante, lo que implica que tg =α1= constante• Si se aplica al diagrama (σ – ε) se obtiene:σ / ε = constante = E (módulo elástico o de Young), es un parámetro característico de cada material. Sustituyendo en E = σ / ε σ = F / S0 y ε = Δl / l0 tenemos:

La ecuación fundamental de la tracción, aplicable solo en la zona de proporcionalidad.

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TENSIONES MÁXIMAS DE TRABAJOLa normativa establece una tensión máxima de trabajo (σt) que definimos como el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de estructura. Este valor es inferior a la tensión correspondiente al límite de proporcionalidad. Teniendo en cuenta los valores de las tensiones límite de fluencia (σf) y límite de rotura (σr) , y considerado el coeficiente de seguridad (n), tenemos: σt = σf / n ó σt = σr / n dependerán de la utilización de la pieza y de la normativa de cada país.

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ENSAYOS DE DUREZADureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. La propiedad mecánica que se determina por los ensayos de dureza es la cohesión. La dureza se relaciona de modo muy estrecho con la resistencia al desgaste.

Ensayo Brinell (UNE 7-422-85)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.

HB = Dureza BrinellF = Carga aplicada ( kg)S = Área del casquete (mm2)

D = Diámetro bola (mm)f = Profundidad (mm)

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Determinamos f, a partir de los diámetros de la bola y de la huella

Finalmente nos quedará:

Generalmente la dureza Brinell se obtiene mediante tablas, donde conociendo el diámetro de la huella se obtiene directamente el valor de la dureza. Los resultados son fiables solamente en materiales de perfil grueso, superior a 6 mm. Respecto al tiempo de aplicación de cargas, varían entre 30 segundos para los aceros y 3 minutos para materiales más blandos.

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Ensayo Vickers (UNE 7-423-84)Para este ensayo el penetrador que se utiliza es una pirámide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º. Se recomienda utilizar éste ensayo para durezas superiores a 500 HB.Presenta ventajas respecto al método Brinell, porque se puede utilizar tanto para materiales blandos como duros, y además los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños (hasta 0,05mm).Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120 kg, lo normal son 30 kg.

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Ensayo Rockwell (UNE 7-424-89)El método Brinell no permite medir la dureza de aceros templados porque se deforman las bolas. Para evitar esto se utiliza la máquina Rockwell. Es un ensayo rápido y fácil de realizar pero menos preciso que los anteriores. El penetrador consiste en una bola para materiales blandos (HRB), o un cono de diamante de 120º para materiales duros (HRC).Normas para la realización del ensayo Rockwell (UNE 7-424-89)1. Se aplica una carga de 10kg al penetrador (cono o bola), que produce una huella h1, que se toma como referencia poniendo el comparador a cero.2. Se aumentan las cargas en 90 kg para la bola y 140 para el cono, manteniendo la carga entre 3 y 6 segundos, y se mide la profundidad h2.

3.- Se retiran las cargas adicionales. El penetrador se recupera y ascenderá a la posición h1+e.

La dureza Rockwell se obtendrá como diferencia respecto a dos números de referencia.

Dureza Rockwell con penetrador bola: HRB = 130 – e

Dureza Rockwell con penetrador cono: HRC = 100 – e

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ENSAYO DINÁMICO POR CHOQUE. ENSAYO DE RESILIENCIALa finalidad del ensayo dinámico por choque es la determinación de la energía absorbida por una probeta de determinadas dimensiones, al provocar la ruptura de un solo golpe. La máquina más utilizada que mide la resiliencia es el péndulo CharpyResiliencia es la energía consumida en la rotura de la probeta, y valora de forma aproximada la tenacidad, que es la capacidad de resistencia al choque.La norma UNE 7-475-92 rige el ensayo.Las probetas suelen tener 55 mm de longitud y una sección cuadrada de 10 mm de lado.

La resiliencia se obtiene como:

Ep = Energía absorbida en la rotura

S = Sección de la probetaLa resiliencia se expresa en julios / cm2

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ENSAYOS DE FATIGA

Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.

Leyes fundamentales de la fatiga:

1. Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso su límite elástico, si el esfuerzo se repite el número suficiente de veces.

2. Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y mínima sea inferior a un valor, llamado límite de fatiga.

Se distinguen tres fases:- Incubación a partir de la

fisura interna.- Maduración progresiva.- Rotura efectiva.

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ENSAYOS TECNOLÓGICOSSirven para estudiar el comportamiento del material ante un fin al que se destina. Reproduce las condiciones prácticas en las que se encontrará el material

Ensayo de plegado.Sirve para determinar las características de plasticidad de los materiales metálicos. Se observa si aparecen grietas en la parte exterior de la curva.El ensayo se puede realizar en frío o en caliente según condiciones normalizadas.

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ENSAYO DE EMBUTICIÓNConsiste en presionar un vástago sobre la chapa hasta que se produce la primera grieta. Se mide la penetración del vástago hasta la aparición de la primera grieta. Es uno de los más importantes para las planchas.