Estructura de los materiales. Propiedades y ensayos de medida1

Unidad

2

El átomo

Es la estructura eléctrica formada por partículas elementales.

•El núcleo, (nucleones = protones + neutrones) de carga + y con toda la masa atómica.

•La corteza, con los e- de carga – y sin masa.

1.1

3

Respecto a la composición del núcleo, tenemos átomos:

•Isótopos: igual nº de protones pero no de neutrones.

•Isótonos: igual nº de neutrones, pero no de protones.

•Isóbaros: igual nº másico. (A = Z + N)

Para nuestras necesidades del conocimiento de los materiales nos interesa más el comportamiento de los e- periféricos pues se traducen en absorciones o emisiones de energía.

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Fuerzas y energías entre átomos

Entre átomos contiguos se desarrollan dos tipos de fuerzas:

a) Atractivas. Debidas a:

• al tipo de enlace.

• atracciones electrostáticas entre el núcleo y la nube electrónica del otro.

b) Repulsivas. Debidas a:

• Acción electrostática entre los núcleos.

• Las nubes electrónicas.

1.2

5

La energía de enlace es la energía precisa para separar los átomos o moléculas que lo forman a una distancia infinita, es decir, para destruir el enlace.

Las fuerzas de origen magnético y gravitatorias son despreciables.

Como consecuencia de las fuerzas interatómicas, los átomos adoptan una posición de equilibrio en función de su Tª y de su presión si son gases.

Los sólidos, a Tª ambiente, tienen energías de enlace elevadas y se considera la Tª de fusión como indicador de la energía de enlace.

6

Las propiedades químicas de los átomos depende principalmente de la reactividad de sus e- más externos.

Elementos electropositivos, ceden electrones en las reacciones químicas para producir iones + o cationes, son metálicos por naturaleza. Los elementos más electropositivos son los grupos 1A y 2A de la tabla periódica.

Elementos electronegativos, aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones – o aniones, son no metálicos y pertenecen a los grupos 6A y 7A.

Algunos elementos entre los grupos 4A y 7A se comportan de manera ambivalente (C–Si–Ge–As–Sb–P)

1.3 Estructura electrónica y reactividad química

7

Electronegatividad

A cada elemento se le asigna un nº de electronegatividad que va del 0 hasta el 4,1.

Los metales alcalinos (0,9 y 1,0) son poco electronegativos.

Los más electronegativos son F (4,1), O (3,5) y N (3,1)

Es la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí y nos determina su comportamiento enlazante.

Metales No Metales

Tienen algunos e- en niveles externos, 3 o menos.

Tienen 4 o más e- en niveles externos

Forman cationes por pérdida de e- Forman aniones por ganancia de e-

Tienen bajas electronegatividades <2 Tabla Tienen altas electronegatividades >2 Tabla

8

Tipos de enlaces atómicos y moleculares1.4

Los átomos tienden a estar enlazados para obtener una mayor estabilidad energética que si están libres.

Los enlaces químicos pueden ser: fuertes o primarios y débiles o secundarios.

En los enlaces atómicos intervienen grandes fuerzas interatómicas y son:

1. Iónicos

2. Covalentes

3. Metálicos

Los enlaces moleculares pueden ser:

1. Dipolo permanente

2. Dipolo inducido

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A – Enlace iónico

Se forma entre átomos muy electropositivos (metálicos) y átomos muy electronegativos (no metálicos).

Las fuerzas de enlace son de carácter electrostático o coulombianas entre iones de carga opuesta.

La energía está comprendida entre 145 y 370 kcal/mol. Son materiales duros y frágiles, aislantes eléctricos y térmicos; al estar en disolución son conductores al quedar libres los iones.

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B – Enlace covalente

Entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad. Comparten sus e- externos s y p, de modo que adquieren la configuración de gas noble.

En un enlace covalente sencillo cada átomo contribuye con un e-, pueden formar enlaces múltiples.

Pueden ser muy fuertes (diamante Tª fusión 3550ºC), pero también muy débiles (Bismuto Tª fusión 270ºC). Es característico de los polímeros.

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Los átomos se encuentran tan juntos que sus e- son atraídos por los núcleos de los átomos vecinos, formando una estructura cristalina.

Por esto los metales presentan alta conductividad térmica y eléctrica.

Pueden ser deformados sin fracturas pues los átomos se pueden deslizar unos sobre los otros sin destruir la estructura cristalina.

Las energías de enlace y los puntos de fusión varían mucho entre los metales.

C – Enlace metálico

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D – Enlace secundario

Entre los átomos se desarrollan fuerzas especiales de atracción-repulsión de campos E y M denominadas fuerzas de Van der Waals y se deben a la aparición de dipolos en el movimiento de los e- . Producen dos efectos:

•Polarización.

•Efecto de dispersión.

Polarización Dipolo eléctrico

Dispersión

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Los puentes de hidrógeno se producen en moléculas bipolares (agua).

Por la atracción del núcleo del H de una molécula y los e- no compartidos del O, F ó N.

Su enlace es más fuerte que las fuerzas de Van der Waals.

14

15

Estructura cristalina

La estructura de los sólidos es debida a la disposición de átomos, moléculas e iones, así como de sus fuerzas de interconexión.

Si la distribución espacial se repite es una estructura cristalina (metales, aleaciones, mat. cerámicos).

La red cristalina es una repetición de celdas unitarias, cuyo volumen y orientación es caracterizado por:

• 3 vectores (a, b y c)

• 3 ángulos (α, β y γ )

• nº de átomos por celdilla

(Na= Nint + Ncara/2 + Nvert/8)

1.5

16

Sistemas cristalinos

En cristalografía se usan 7 sistemas cristalinos y 14 redes espaciales.

1.6

17

Estructura de los metales

Casi todos los metales elementales cristalizan en tres redes cristalinas:

• Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC ó CC).

• Red cúbica centrada en caras (FCC).

• Red hexagonal compacta (HCP).

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Cúbica centrada cuerpo BCC ó CC

Nº at = 1 + 8/8 = 2 átomos

Distancia entre átomos d = a √3/2

Radio atómico R = a√3/4

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Cúbica centrada en las caras FCC

Nº at = 6/2 + 8/8 = 4 átomos

Distancia entre átomos d = a √2/2

Radio atómico R = a√2/4

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Hexagonal compacta HCP

Nº at = 3 + 2/2 + 12/6 = 6 átomos

Distancia entre átomos d = a

Radio atómico R = a/2

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Factor de empaquetamiento atómico

Es el cociente entre el volumen ocupado por los átomos en la celdilla suponiendo que son esferas y el volumen de la celdilla.

Factor emp = Va/Vc

En la red cristalina CC:

•Nº de átomos: 2

•Va = 2 . 4/3 π r3 ; como r = a√3/4

•Vc = a3

•F emp = Va/Vc= π √3/8

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Alotropía

Son los diferentes estados que presenta un mismo elemento, ya que tiene diferentes estructuras cristalinas dependiendo de la presión y Tª a que esté sometido.

1.7

23

Propiedades mecánicas1.8

24

Clasificación y tipos de ensayo

Son procedimientos normalizados para conocer o comprobar las características y propiedades de los materiales, o descubrir defectos en piezas.

1. Ensayos de característicasa. De composición.

b. De estructuras: cristalina, micrográfica (grano) y macrográfica (fibra).

c. Análisis térmico: Tª de fusión, solidificación y transformación.

d. De constitución.

2. Ensayos de propiedades mecánicas (destructivos)a. Estáticos: Dureza, tracción en frío y en caliente, fluencia, compresión,

pandeo, flexión, torsión.

b. Dinámicos: Resistencia al choque, desgaste, fatiga.

1.9

25

3. Ensayos de conformación (tecnológicos)a. Doblado.

b. Embutición.

c. Forja.

d. Corte.

e. Punzonado.

4. Ensayos de defectos (no destructivos)a. Magnéticos.

b. Ultrasónicos.

c. Macroscópicos.

d. Rayos X.

e. Rayos gamma.

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Deformaciones elásticas y plásticas

Deformación elástica:

Al cesar la fuerza a que está sometido, el material vuelve a las dimensiones primitivas.

Deformación plástica:

El material no recupera la dimensión inicial al cesar la fuerza a que está sometido.

1.10

27

Tensión:

Cociente entre la fuerza de tracción uniaxial F y la sección transversal Sx0.

σ = F/ Sx0

Unidades en el S.I. son N/m2 = Pascal

Deformación:

Cociente entre la variación de longitud en la dirección de la fuerza y la longitud original.

ε = I – I0/ I0 = Δ I / I0

Es adimensional. Normalmente se expresa en %.

Tensión y deformación1.11

28

Ensayo de tracción (UNE 7-474)

Consiste en someter a una probeta normalizada una fuerza en la dirección de su eje.

Las probetas son circulares o planas.

1.12

Ensayo de traccion

29

B- Análisis de un diagrama de tracción

Representación gráfica del alargamiento o deformación (Δ I) en función de la fuerza de atracción (F).

Cada material tiene un diagrama característico:

• 1ª zona: deformación proporcional a la tracción.

• 2ª zona: pequeñas variaciones de tensión producen grandes deformaciones.

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• Zona elástica (OE): al cesar la tensión recupera su longitud I0 .

– Zona proporcionalidad (OP): es una recta y

σ = cte . ε (cte = módulo de Young (E)– Zona no proporcional (PE): ya no tiene un

comportamiento lineal.

•Zona plástica (ES): Se rebasa el límite elástico σE, el material no recupera su I0.

– Zona límite rotura (ER): las deformaciones son permanentes, al llegar a R el material se considera roto y a σR se llama tensión de rotura.

– Zona rotura (RS): a partir de R no es necesario tensión para que se produzca una deformación hasta la rotura física en S.

Alargamiento de rotura A = (LR –L0/L0).100

Estrición de rotura Z= (S0-SR/S0) . 100

Diagrama tensión-deformación

31

Diagramas de tracción de metales

Este comportamiento es general para todos los materiales (fig 1.21), excepto el acero.

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Diagrama σ – ε del acero

Por encima del límite elástico se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada, ya que el material fluye si causa aparente, se conoce como fluencia.

El punto F se llama límite de fluencia y σF tensión de fluencia.

33

Ley de Hooke1.13

Las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las tensiones que las producen.

F/ Δ I = tg α = cte.

σ / ε = cte = E = F. l0 / Sx0 . Δ I

E = módulo elástico o módulo de Young. Característico de cada material, se mide kp/cm2 , kp/mm2 o N/m2 como la tensión σ.

34

Tensiones máximas de trabajo

Tensión máxima de trabajo (σt) límite de carga para una pieza o elemento simple de estructura.

Se obtiene:

σt = σF /n o σt = σR /n

n = coeficiente de seguridad

Al diseñar, tener en cuenta:

•Mayorar las fuerza multiplicando coef > 1.

•Minorar la resistencia del material dividiendo coef >1

1.14

35

Ensayos de dureza

La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. Se determina la cohesión del material que depende de la elasticidad y la estructura cristalina del material.

Los índices de dureza son valores relativos (depende del tipo de ensayo) y mide la profundidad de la huella dejada en el material por una bola o prisma.

1.15

36

A – Ensayo Brinell (UNE 7-422-85)

Consiste en comprimir una bola de acero templado de diámetro (D) contra el material, por medio de una carga (F), durante un tiempo determinado.

Medimos el diámetro de la huella (d) y calculamos la dureza según:

HB = F/S (HB=Hardness Brinell)

Siendo S = π D f ; y f = (D - √D2 – d2)/2

Ensayo Brinell

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B – Ensayo Vickers (UNE 7-423-84)

Se utiliza como penetrador una pirámide regular de base cuadrada y 136º entre dos caras opuestas.

Mejor que el ensayo Brinell, para materiales blandos y duros y e=0,05mm.

HV = F/S

Siendo ; ;

Ensayo Vickers

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C – Ensayo Rockwell (UNE 7-424-89)

Más rápido y sencillo, pero menos preciso que los anteriores.

La dureza se determina por profundidad de la huella, no por la superficie.

Para materiales blandos, ensayo con bola (dureza HRB). Para materiales duros, cono diamante 120º (dureza HRC).

Normas:

1. Precarga de 10 kp, se mide la profundidad h1, es la referencia.

2. Aumentamos la carga: 90 kp (HRB) y 140 kp (HRC), se mantiene 3-6 s, se mide h2.

3. Se vuelve a la carga inicial 10 kp, el penetrador ascenderá hasta h1 + e.

La dureza Rockwell se expresa: HRB = 130 – e y HRC = 100 - e

Ensayo Rockwell

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Ensayo de resiliencia (UNE 7-475-92)

Probeta: 55mm de longitud, sección cuadrada de 10 mm lado. En medio tiene una entalla en U ó V.

El péndulo de Charpy nos determina la resiliencia por:

ρ = Ep / S (julios/cm2)

Ep = Energía absorbida en la rotura; S = Sección probeta

Alta ρ = material tenaz (fractura dúctil) gran deformación plástica en la zona de rotura (mate).

Baja ρ = material frágil (fractura frágil) sin deformación plástica (brillante).

1.16

40

Ensayos de fatiga

Fatiga: Material sometido a esfuerzos variables de baja intensidad pero repetitivos. Pueden llegar a romper el material con cargas inferiores al límite elástico.

Para que no se rompa, con independencia de la frecuencia, la diferencia entre la carga máxima y la mínima debe ser inferior al límite de fatiga.

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

1.17

41

Ensayos tecnológicos

Sirven para estudiar el comportamiento del material para una aplicación concreta.

A. Ensayo de plegado: características de plasticidad de materiales metálicos. La probeta se dobla, en frío ó caliente y se observa la aparición de grietas.

B. Ensayo de embutición: consiste en presionar un vástago sobre la chapa hasta que aparezca la grieta, la profundidad de penetración del vástago nos indica el grado de embutición.

1.18