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BLOQUE 1: MATERIALES

UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES

Tecnología Industrial II I.E.S. Padre Luis Coloma

BLOQUE 1: MATERIALES UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES

CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA



CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA: EL ÁTOMO


Masa del átomo más ligero (hidrógeno): 1,673 10-24 gramos

Masa del átomos mas pesado (uranio): 250 veces la del hidrógeno

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL NUCLEO

El Núcleo está formado por protones (carga eléctrica +) y neutrones (sin carga eléctrica)En la periferia del núcleo hay tantos electrones (carga -) como protones en el núcleo, si el átomo está en EQUILIBRIO.La masa del átomo está concentrada casi en su totalidad en el núcleo.La carga eléctrica del electrón y el protón es de valor q= 1,602 10-19 Culombios

UN ELEMENTO CUALQUIERA QUEDA IDENTIFICADO DE LA SIGUIENTE MANERA:

Z es el número atómicoA es el número másico

Átomos de un mismo elemento pueden tener distinto número deNeutrones. Se llaman Isótopos.


ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LA CORTEZA


Los electrones se mueven en la corteza a una distancia enorme del núcleo existiendo vacíosinmensos de materia.El electrón gira alrededor del núcleo en orbitas elípticas. La masa del electrón es pequeña.Los electrones se distribuyen alrededor del núcleo en capas orbitales, cuyo número máximo deelectrones es el que se indica en la tabla


ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL ÁTOMO DE HIDROGENO


El modelo en estudio es el del átomo de hidrógeno por ser el más simple,(1 protón + y un electrón -).• El átomo tiene una carga + y -. El electrón no es atraído al núcleo debido a la fuerza centrífuga en su giro en la capa orbital.

• El electrón en estado normal está en la órbita de radio menor (K). Si le comunicamos energía saltará a capas de mayor energía. Al contrario ocurre que el electrón se apro-xima a capas cercanas al núcleo pierde energía La ley de Planck. ∆E = hv h es constante de plank 6,6310-34 JS v es la frecuencia de radiación

El electrón alrededor del núcleo se caracteriza por cuatro números cuánticos.• Número cuántico principal (n). Indica el nivel energético del orbital 1,2,3… para las capas K,L,M;….• Número cuántico secundario (l). Indica un subnivel. Número l: 0,1,2,… y las letras Del subnivel: s,p,d,f• Número cuántico magnético (m): Tiene poca influencia sobre la energía del electrón.• Número cuántico de spin: Indica las dos direcciones de spin en el giro del electrón sobre su eje.


ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL ÁTOMO



SISTEMA PERIÓDICO DE ELEMENTOS: Meyer y Mendeleiev (1871)



ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES: ENLACES


Los átomos se unen entre si para formar materiales mediante una energías llamadas enlaces ENLACE IÓNICO: Se forma por atracción electrostática de iones de signos contrarios.Características:

•Poseen elevados puntos de fusión y ebullición.•Casi todos son solubles en agua.•Son sólidos a temperatura ambiente.•Fundidos o en disolución son buenos conductores de la electricidad.•Unidos por fuerzas electrostáticas muy intensas.•Formados por iones de signo opuesto entre si.

ENLACE COVALENTE: Átomos de igual polaridad que comparten electrones periféricos.Características:

•Sólidos , líquidos y gaseosos a temperatura ambiente.•Puntos de fusión y ebullición bajos.•Enlace típico de elementos no metálicos.

ENLACES METÁLICOS: Es importante a nivel tecnológico. Originan los metales. Empaquetamientode átomos cuyos electrones de la última capa forman una nube electrónica que envuelven a los átomosy tienen gran movilidad.Características:

•Son todos sólidos excepto el Mercurio.•Conducen el calor y la electricidad con facilidad.•Tienen brillo metálico característico.•Son opacos.•Son insolubles al agua.•Son ductiles y maleables por forja.•Se pueden trabajar y estirar a distintas temperaturas.


ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES: ENLACES


ENLACE RESIDUAL O DE VAN DER WAALS: Son enlaces débiles debido a que las fuerzas atractivasLos originan son débiles. Es muy típico en los compuestos de carbono como el grafito.

RESUMEN DE ENLACES


ESTRUCTURAS CRISTALINAS. GENERALIDADES


La materia se presenta en tres estados: Sólido liquido y gas.

Un mismo material presenta diferencias muy importantes dependiendo del estado.Los líquidos y gases presentan estructura desordenada.Los sólidos presentan una ordenación de losátomos mas regular: Sólido amorfo ó sólido cristalino.• Sólido amorfo: las partículas qu lo componen no tienen orden, relación o distancia entre ellas• Sólido cristalino: Presenta los átomos, iones o moléculas ordenadas en posiciones regulares y repe-tidas en el espacio, siguiendo formas geométricas.

La repetición tridimensional con la que se ordenan los sólidoscristalinos se denomina celdilla unidad y el conjunto de varias celdillas unidas entres si se denomina red o retícula.


CRISTALES


Cristal es cualquier sólido que presenta una estructura interna ordenada.Los métales se obtienen generalmente por fusión, su estructura interna esta constituida por cristalesque se forma durante la solidificación.Un cristal elemental es el resultado de las posiciones que toman los átomos durante la solidificación.

RED CRISTALINA

Red cristalina: Los átomos de un material se disponen en forma regular a lo largo de los ejes y planos.



RED CRISTALINA

Las redes cristalinas se presentan en las siguientes formas:•Sencilla o cúbica simple. En ella los átomos ocupan los vértices de la celda unidad.•Centradas en el cuerpo. Un átomo ocupa el centro de la celda unidad.•Centradas en las caras. Existen átomos situados en los centros de las caras de la celda unidad.•Centradas en la base. Dos átomos se sitúan en el centro de las caras opuestas de la celda unidad.

Catorce tipos de celdas unidad estudiadas por Bravais



REDES CRISTALINAS DE LOS METALES

Las redes que nos interesa estudiar son aquellas en las que cristalizan los metales. La mayoría cristaliza•Cúbica centradas en las caras (FCC)•Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)•Hexagonal compacta (HCP).

En las redes cristalinas es necesario conocer dos valores significativos:•El índice de coordinación. Definido por el número de átomos que rodean al átomo de la celda unidad.•El número de átomos. En una celda unidad.•El factor de empaquetamiento atómico. es la fracción de espacio ocupado por sus átomos.



ESTUDIO DE ESTRUCTURA CÚBICA SIMPLE

El índice de coordinación es de 6El número de átomos por celda elemental es 1

ESTUDIO DE ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO (BCC)

El índice de coordinación es de 8El número de átomos por celda elemental es 2La relación entre la arista (a) y el radio atómico (R)

Factor de empaquetamiento BCC: 0,68 (68%)



ESTUDIO DE ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN CARAS (FCC)

El índice de coordinación es de 12El número de átomos por celda elemental es 4La relación entre la arista (a) y el radio atómico (R)

Factor de empaquetamiento FCC: 0,74 (74%)

ESTUDIO DE ESTRUCTURA HEXAGONAL COMPACTA (HCP)

El índice de coordinación es de 12El número de átomos por celda elemental es 6Factor de empaquetamiento HCP: 0,74 (74%)



VALORES DE RADIO ATÓMICO Y ARISTA EN ESTRUCTURA BCC Y FCC

PARÁMETROS MÁS INTERESANTES DA LAS REDES CRISTALINAS


CRISTALIZACIÓN. FORMACIÓN DEL GRANO


Los materiales metálicos se obtienen por fusión de sus componentes y posterior solidificación por distintos procedimientos.

Los átomos, iones, moléculas o conjunto de moléculas, al descender la temperatura se ordenan en una red cristalina, constituyendo germenes en distintos de la masa líquida. Cada germen va aumentando de tamaño has ta encontrarse con la cristalización de otro germen que le impide seguir adelante. Cada germen ha formado un grano.

Si hay pocos germenes el tamañp del grano será grande. Si hay muchos el tamaño será pequeño.

Existen procedimientos para controlar el número de germenes.

El tamaño del grano vará entre 0,02 y 0,2 mm

Las propiedades de los materiales metálicos varía en función del tamaño del grano.


ASPECTOS GENERALES DE LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA Y ELÁSTICA


Cualquier material metálico al estar sometido a un esfuerzo sufre una deformación. Si el material recupera su forma primitiva es una deformación elástica. Si el material permanece deformado es una deformación plástica.

Deformación elásticaDeformación plástica


ACRITUD Y RECRISTALIZACIÓN


Al someter a un material metálico a esfuerzos en frío, produciendo deformaciones el material adquieremayor dureza y fragilidad, conocido como acritud.

Si al material lo volvemos a calentar a cierta temperatura pierde la dureza y fragilidad. El proceso se denomina recristalización.

POLIMORFISMO Y ALOTROPÍA

Hay elementos y compuestos que presentan distintas estructuras dependiendo de la temperatura y presión.

Polimorfismo: Sustancias que teniendo la misma naturaleza cristalizan de distinta forma.

Alotropía: Cuando las sustancias polimorfas son elementos puros.


PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES


BLOQUE 1: MATERIALES UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALESENSAYO DE TRACCIÓN

TENSIÓN Y DEFORMACIÓN


ENSAYO DE TRACCIÓN

Tensión

Deformación


ANÁLISIS DE UN DIAGRAMA DE TRACCIÓN (gráfica del ensayo)


Alargamiento unitario(adimensional)

ε=Δl/l0

Tensiónσ=F/S0

Zona elástica (OE)Zona de proporcionalidad (OP). Es la zona donde deben trabajar los materiales.

Zona de no proporcionalidad (PE)Zona plástica (ES)

Zona límite de rotura (ER). Zona plástica con deformaciones permanentes.

Zona de rotura (RS). Aunque bajemos la tensión el material sigue alargando. Se produce la rotura en S

Tensión de rotura

Límite elástico


Hay algunas excepciones en la gráfica del ensayo, como en el acero.


Fluencia (alargamiento rápido)

Tensión de fluencia

Límite de fluencia

Ley de Hooke (Aplicable en la zona de proporcionalidad)

E es la tg α y se conoce por módulo elástico o módulo de Younng.



Tensiones máximas de trabajo.

Cuando se diseña una pieza hay que realizarla para que no trabaje en la zona de deformaciones plásticas. Para ello se establece una tensión máxima de trabajo σt. Su valor debe ser inferior al valor del límite de proporcionalidad σp.

BLOQUE 1: MATERIALES UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALESENSAYO DE DUREZA


Dureza: Resistencia de un material a ser rayado o penetrado por una pieza de otro material

Durómetro



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 en grados Brinell. (Kgf/mm2)

F: Carga aplicada en Kg.

S: Área del casquete en mm2.

Debe cumplir el ensayoD/4 < d < D/2 F = K D2

D: Diámetro de la Bola (mm)

f: Profundidad de la huella (mm)

D: Diámetro de la huella. (mm).

K: Constante de proporcionalidad según el material

S =πDf

f = 1/2(D-√(D2-d2)



Esquema de una medición de este tipo de dureza (ENSAYO BRINELL )

Dureza Tipo de Ensayo Diámetro de la bola Fuerza aplicada Tiempo del Ensayo

Ejemplo:

1 HB 10 500 30 Donde las unidades son:

Kp/mm2 HB mm Kp Segundos



ENSAYO VICKERS (UNE 7-423-84)

El penetrador es una pirámide regular de base cuadrada de diamante.

Se recomienda el ensayo para durezas superiores de 500 HB

Se utiliza para materiales duros y blandos.

La carga suele ser de 1 a 100 Kp.

HV: Dureza en grados Vickers. (Kgf/mm2)

F: Carga aplicada en Kg.

S: Área lateral de la huella en mm2.

Huella



ENSAYO ROCKWELL (UNE 7-424-89)

• MUY USADO POR RÁPIDO. MENOS EXACTO QUE OTROS.• SE MIDE LA PROFUNDIDAD HUELLA• Materiales blandos (60-150 HV), se usa bola acero de 1,59 mm. (HRB) • Materiales blandos (235-1075HV), se usa diamante cónico 120º. (HRC)

MÉTODO DE ENSAYO

• Precarga de 10 kp para h1• Resto de carga (90 y 140) para h2• Reducción hasta precarga para h3• e= h3 – h1• HRC = 100 – e• HRB = 130 – e •Cada 0,002 mm es una división en la escala Rockwell.

BLOQUE 1: MATERIALES UNIDAD 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALESENSAYO DE RESILIENCIA


ENSAYO CHARPY (UNE 7-475-92)

ρ = Ep/S

ρ: Resiliencia ( Julios/ cm2)Ep: Energía absorbida en la roturaS: Sección de la probeta

ρ

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