Tema 2 Materiales ETSA - Facultad de Ingeniería Mecánica

Tema 2: Estructura de la Materia.
1. Microestuctura de los materiales.
2. Escalas de observación: tecnológica,
microestructural y atómica.
3. Enlaces interatómicos primarios y secundarios.
4. Microestructuras cristalina y no cristalinas.
5. Sólidos monofásicos y polifásicos: diagramas
de fase.
6. Materiales compuestos.
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Curso 2007-2008. Escuela Técnica Superior de Arquitectura.
Profesor Gonzalo Barluenga Badiola
Objetivos Docentes del Tema 2:
• “Conocer la microestructura de los materiales que
se utilizan en construcción.”
• “Conocer las diferentes escalas de observación y
las tipologías de los materiales derivadas de su
estructura.”
• “Conocer los principios básicos de la Ciencia de
Materiales.”
Ciencia de Materiales
• Definición:
• “Es la Ciencia que estudia la estructura,
propiedades y características de los Materiales.”
• Relaciona la estructura del Material Natural o
Artificial (Procesado) con sus Propiedades.
• Muestra a la Ingeniería y la Arquitectura los
Materiales adecuados a las necesidades.
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.
Escalas de observación: tecnológica,
microestructural y atómica.
• Escala Tecnológica: se observa el material en su
conjunto (macroscópica). Se aprecian las
propiedades organolépticas y tecnológicas
• Escala microestructural: Es el nivel de se diferencia
la estructura del material. Se manifiestan las
fuerzas de adhesión.
• Escala atómica: Se estudia la matera a niveles de
átomo y organización molecular. Se distinguen las
fuerzas electromagnéticas (atómicas).
Escalas de observación: tecnológica,
microestructural y atómica.
Escala Atómica Escala Microestructural Escala Tecnológica
Estructura
metálica
Estructura de la madera
El átomo como unidad básica.
• Los átomos son los bloques fundamentales que
constituyen los materiales. Está constituido por un
núcleo y una corteza electrónica.
• Las sustancias puras están constituidas por átomos
iguales (elementos).
• Los elementos químicos se diferencian por el
número de cargas positivas o negativas que tienen.
El átomo como unidad básica.
Tabla Periódica de los Elementos Químicos
• Los elementos se designan por su símbolo químico.
• La electronegatividad cuantifica la capacidad de los
átomos de atraer electrones.
El átomo como unidad básica.
• 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.
Enlaces interatómicos primarios y
secundarios.
• Los átomos se unen entre sí mediante fuerzas
electromagnéticas, llamadas Enlaces químicos.
• Las agrupaciones de átomos se llaman moléculas.
• Tipos de enlaces químicos:
Iónico
Primarios
(fuertes)
Covalente
Metálico
Secundarios Puentes de hidrógeno
(débiles)
Fuerzas de Van der Waals
Mixtos
Características derivadas del enlace iónico
• Anisótropos (propiedades diferentes en cada dirección)
• Densos (depende del grado de empaquetamiento).
• Solubles en disolventes polares (agua).
Aislantes eléctricos (dieléctricos)
• Físicas
Incombustibles
Alta inercia térmica
Bajo coeficiente de dilatación
Duros
• Mecánicas
Frágiles
Alta resistencia a compresión
Características derivadas del enlace covalente
(con enlaces secundarios como los polímeros)
• Baja Densidad (depende del empaquetamiento).
• Buena resistencia el agua.
• Se degradan con el tiempo (envejecimiento).
Aislantes eléctricos (dieléctricos)
• Físicas
Combustibles
Aislantes térmicos
Alto coeficiente de dilatación
Flexibles
• Mecánicas
Dúctiles
Dependen de la temperatura
Características derivadas del enlace metálico
• Isótropos (propiedades iguales en todas direcciones)
• Densos.
• Insolubles en disolventes polares (agua).
Conductores eléctricos
Conductores térmicos
• Físicas
Incombustibles (en condiciones normales)
Alto coeficiente de dilatación
Dúctiles y maleables
• Mecánicas
Comportamiento elásto-plástico
Alta resistencia a compresión y tracción
Estados de la Materia.
• La materia se manifiesta en diferentes estados a una
temperatura y presión determinados:
Sólido: forma y volumen definidos. Estructura
ordenada.
Vítreo: forma y volumen definidos. Estructura amorfa.
Líquido: forma variable y volumen definido. Estructura
desordenada.
Gas: forma y volumen variables. Estructura caótica.
Microestructura de los materiales.
• La microestructura de los materiales sólidos se
puede ser de los siguientes tipos:
• Según su orden:
Cristalino: ordenado.
Amorfo: desordenado
• Según su composición:
Monofásicas: un único componente.
Polifásicas: dos o más componentes.
Microestructuras cristalina y no
cristalinas.
Microestructura:
(a)Cristalina
(b) no cristalina
•El orden cristalino es la forma de organización básica.
•Existe un orden elemental (celda unitaria) que se repite,
según 14 tipos de redes cristalinas (Redes de Bravais) .
Microestructura cristalina y no cristalinas.
• Las Materiales cristalinos pueden estar formados
por un solo cristal (monocristalino) o muchos
(policristalino).
• Las estructuras amorfas pueden ser vítreas o
poliméricas.
• Las estructuras cristalinas no son perfectas:
“Existen Defectos que modifican sus propiedades.”
Microestructura cristalina (cobre)
Defectos en sólidos cristalinos.
• Son discontinuidades en la organización espacial
del cristal.
• Influyen en las propiedades mecánicas, físicas y
químicas de los materiales cristalinos.
Puntuales
• Tipos:
Lineales (dislocaciones)
Superficiales (fronteras de grano)
Defecto lineal:
Dislocación en un material de
composición ULaO2.
Defecto extenso:
Macla en un óxido mixto de
uranio y lantano.
Microscopio TEM (transmisión electrónica)
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 o
por aleación.
• Tipos:
Vacantes: falta un átomo en la red cristalina
Defectos intersticiales: hay un átomo en un hueco de
la red cristalina
Defecto substitucional: Substitución de un átomo
por otro distinto
Defectos puntuales
Vacancia
Intersticial
Sustitución
Intersticial + vacancia
Sustitución
Vacancia doble
Defectos lineales (Dislocaciones)
• Imperfecciones o irregularidades lineales en una red
ideal o perfecta.
• Origen: proceso de solidificación o proceso de moldeado.
• Tipos:
De borde: hay un plano de átomos adicional
De tornillo: por cizalladura del cristal
Mixta
Defectos lineales (Dislocaciones)
Defecto de borde
Defecto de tornillo
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.
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.
Defectos superficiales
• Fronteras superficiales, interfases o planos que separan
un material en regiones de la misma estructura cristalina
pero con distintas orientaciones (material policristalino).
• Tipos:
Bordes de grano: límites entre cristales
Superficies libres: en contacto con el ambiente
Planos de Macla: cambio de orientación en el grano
Defectos superficiales
Microestructura
cristalina
(metales)
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.
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.
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.
Sólidos polifásicos (granito gris perla)
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)
Materiales Compuestos.
• Constituidos por diferentes materiales, elementos o
componentes, que no forman sistema, pero que
muestran efectos conjuntos a escala macroscópica.
• Se diseñan para mejorar el comportamiento físico o
mecánico de los materiales homogéneos.
• La combinación de materiales produce un aumento de
las propiedades del conjunto, aunque se distinguen
claramente cada uno de ellos.
• Ejemplos: hormigón armado, paneles laminados,
vidrios de seguridad, etc.
Hormigón armado
Vidrio Laminado
•Compuesto por dos o más
láminas de vidrio unidas por
materiales adhesivos.
•La rotura de un vidrio no
provoca el colapso del material.
•Buen comportamiento frente a
impacto (Vidrio de seguridad).
Laminados de
madera
Panel sándwich
Tema 2: Estructura de la Materia.
1. Microestuctura de los materiales.
2. Escalas de observación: tecnológica,
microestructural y atómica.
3. Enlaces interatómicos primarios y secundarios.
4. Microestructuras cristalina y no cristalinas.
5. Sólidos monofásicos y polifásicos: diagramas
de fase.
6. Materiales compuestos.
Bibliografía de consulta recomendada.
Tema 2
•
•
Callister, W.; Ciencia e ingeniería de
materiales, Ed. Reverté, 1995.
Smith, W.; Fundamentos de ciencia e
ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill,
1998.