Materiales: Sustancias que una vez fabricadas y procesadas,  se utilizan en el diseño y construcción de  componentes y estructuras. “solidos que sirven para algo” Ejemplos de tipos de materiales: Metales:(1) Acero: Durabilidad, Elevada conductividad (2) Plata:elevada resistencia a la corrosión menor resistencia mecánica Cerámicos: (3) Loza: Baja conductividad, muy frágil (4) Vidrio: Fácilmente conformable, muy frágil Polímeros:(5) Plástico: Barato, fácil de procesar no utilizable en caliente, poca durabilidad

Tipos de propiedades  a tener en cuenta: P r e c io y d is p o n ib ilid a d

P r o p ie d a d e s

E c o n ó m

D e n s id a d M o d u lo E le á s tic o L ím ite E lá s tic o , R e s is te n c ia D u r e z a T e n a c id a d d e F ra c tu r a R e s is te n c ia F a tig a , fa tig a té r m ic a R e s is te n c ia F lu e n c ia P r o p ie d a d e s té r m ic a s P r o p ie d a d e s Ó p tic a s P r o p ie d a d e s m a g n é tic a s P r o p ie d a d e s e lé c t r ic a s O x id a c ió n y C o r r o s ió n F r ic c ió n , A b r a s ió n y d e s g a s te F a b r ic a b ilid a d S o ld a b ilid a d M a q u in a b ilid a d C o n f o r m a b ilid a d

P r o p ie d a d e s g lo b a le s

M

P r o p ie d a d e s

F ís ic a s

P r o p ie d a d e s

S u p e r fic ia le s

P r o p ie d a d e s

d e

ic a s

e c á n ic a s

P r o d u c c ió n

Aplicaciones de Algunos Materiales M e ta le s C o b re

H ie r r o G r is

A c e ro s

F u n d id o

a le a d o s

C e r á m ic o s S iO 2 - N a 2 O - C a O

A p lic a c io n e s A la m b r e p a r a c o n d u c to re s e lé c tr ic o s . B lo q u e s p a r a m o to re s d e a u to m ó v il L la v e s p a r a tu e rc a s

P r o p ie d a d e s A lta c o n d u c tiv id a d e lé c tr ic a

V id r io s p la n a s p a r a v e n ta n a s R e fr a c ta r io s

P r o p ie d a d ó p tic a s a d a is la n te té A lto p u n to fu s ió n , r e la tiv a m e in e r te s

M o ld e a b ilid a d , m a q u in a b ilid a d T r a ta b le s té r m ic a m e n te , p a r a a u m e n ta r la r e s is te n c ia m e c á n ic a

A l2 O 3 , M g O , S iO 2 P o lím e r o s P o lie tile n o

e s e c u a d a s , r m ic o d e n te

F á c ilm e n te c o n fo r m a b le

F e n ó lic o s

E m p a q u e ta d o d e a lim e n to s E n c a p s u la d o d e c ir c u ito s in te g r a d o s

C o m p u e s to s G r a fito e n m a tr iz e p ó x ic a

C o m p o n e n te s a e r o n á u tic o s

A d e c u a d a r e la c ió n r e s is te n c ia -p e s o

C a r b u r o d e w o lfr a m io

H e r r a m ie n ta s c o r te

E p ó x ic o s

d e

B u e n o s a is la n te s e lé c tr ic o s , r e s is te n te s a la h u m e d a d

A lta d u r e z a y b u e n a r e s is te n c ia a l im p a c to

Estructura Atómica: Determina el comportamiento eléctrico, térmico

Cristalina: organización atómica regular y tridimensional,  Influye en las propiedades mecánicas.

Microestructura: monofásicos y polifásicos

Depende del procesado... Metal ‐‐calentamiento‐‐> metal con diferente estructura Propiedades y estructura inicial Procesado Propiedades finales deseadas

Los elementos, sustancias y compuestos están constituidos por uniones de ÁTOMOS formándo MOLÉCULAS

LAS PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS SON CONSECUENCIA DE LA NATURALEZA DEL ENLACE El tipo de Enlace depende de la ESTRUCTURA ELECTRÓNICA de los átomos que intervienen.

Por eso a los ingenieros les interesa la estructura atomica el enlace quimico!!!

• Configuración Electrónica. Niveles de energía dentro del  átomo

• Tabla periódica – Clasificación de los elementos en función de Z • Grupos  • Periodos

Los Electrones de valencia son los electrones de la capa más externa de un átomo. Los electrones de valencia son los electrones que intervienen en el enlace químico

Grupo

Configuración e‐

Nº e‐ de valencia

1A

ns1

1

2A

ns2

2

3A

ns2np1

3

4A

ns2np2

4

5A

ns2np3

5

6A

ns2np4

6

7A

ns2np5

7

1

Enlace Químico • Depende de la Estructura electrónica de los  átomos Tipos de enlace químico: •Enlace Iónico •Enlace Covalente •Enlace Metálico

Enlace Iónico •Elemento electropositivo (Na) + elemento electronegativo (Cl)  Na+Clred cristalina tridimensional con los iones unidos fuertemente mediante interacciones electrostáticas (ley de Coulomb) = Enlace Iónico No pueden identificarse moléculas individuales, toda la red es, en sí misma, una gigantesca molécula.

The Ionic Bond Enlace Iónico Li

+

1s22s1

F

Li+ 1s2

1s22s22p5

F

1s22s22p6

[He]

‐

[Ne]

‐

Li e +

‐

Li+ +  e F

F

‐

Li+ +

F

‐

Li+

F

‐

3

Enlace Covalente • • • •

Compartición de electrones entre átomos vecinos Átomos No Metálicos unidos entre si. Enlace direccional Fuerte; Poca Ductilidad (frágiles);baja conductividad;  Característico de Cerámicos y Polímeros

Un enlace covalente es un enlace químico en el que intervienen dos o más electrones  compartidos por dos átomos.

¿Por qué deben compartir los electrones dos átomos?

F

+

7e‐

F

F

7e‐

8e‐

F 8e‐

Estructura de Lewis para el F2

Enlace covalente sencillo

Par solitario

F

F

Par solitario

F

F

Enlace covalente sencillo Par solitario

Par solitario

Estructura de Lewis para el  agua H

+

O

+

H

Enlaces covalentes sencillos H O H

or

H

O

H

2e‐ 8e‐ 2e‐

Doble enlace – dos átomos comparten dos pares de electrones

O

O

C

or

O

O

C

Dobles enlaces

8e‐ 8e‐ 8e‐

Dobles enlaces Triple enlace – dos átomos comparten tres pares de electrones N

N

or

N

N

8e‐ 8e‐

Triple enlace

Triple enlace 8

Electronegatividad de los elementos habituales

Aumento de la electronegatividad

Aumento de la electronegatividad

13

Comparación de Algunas de la Propiedades Generales de los Compuestos Iónicos y  Covalentes

Propiedad Apariencia  

Sólido blanco

Líquido incoloro 

Punto de fusión (ºC) Calor molar de fusión * (kJ/mol) Punto de ebullición (ºC) Calor molar de vaporización * (kJ/mol) Densidad (g/cm3) Solubilidad en agua

Alta 

Muy baja

Pobre

Pobre

Buena

Pobre

Conductividad eléctrica Sólido Líquido

* El calor molar de fusión y el calor molar de vaporización son las cantidades de calor necesarias para fundir 1  mol de sólido y para vaporizar un mol de líquido, respectivamente

Enlace Metálico •

• • •

Típico de metales, los electrones no pertenecen a ningún  átomo en particular , circulan libremente (nube  electrónica) Enlace no direccional, fácilmente conformable Fuerte (W), Débil (Hg) Buenos Conductores eléctricos y térmicos

Como consecuencia del enlace metálico... Los metales son excelentes conductores del calor y de la electricidad en estado sólido, a diferencia de las sustancias iónicas y covalentes. Tienen un brillo característico, llamado brillo metálico. Poseen una elevada densidad. La ductilidad y la maleabilidad son propiedades típicas en los metales. Tienen tendencia a perder electrones y originar cationes, lo que constituye el denominado carácter metálico.

METALURGIA La metalurgia es la ciencia aplicada cuyo objeto es el  estudio de las operaciones industriales tendentes a la preparación, tratamiento (físico y/o químico) y  producción de metales y sus aleaciones. Extractive metallurgy is the practice of extracting metal from ore, purifying  it, and recycling it.  Pyrometallurgy involves the treatment of ores at high temperature to  convert ore minerals to raw metals, or intermediate compounds for further  refining  Hydrometallurgy involves the use of aqueous solutions to extract metals or  compounds from their ores.

Metalurgia del Hierro En siderurgia se denomina horno alto el que se emplea para reducir minerales de hierro  y transformarlos en arrabio, metal fundido que contiene entre 2,6 y un 4,3% de  carbono y cantidades variables de manganeso, azufre y fósforo.

Metalurgia del Hierro

Se echa el mineral de hierro, piedra caliza y (CaCO3) y carbón de  coque (carbón casi puro) para dar lugar a las siguientes reacciones: 1) Conversión del carbono en monóxido de carbono: 2 C(s) + O2 (g) → 2 CO (g) + CALOR 2) Reducción de Fe3+ a Fe por reacción con el CO: Fe2O3(s) + 3 CO(s) → 2 Fe(liquido) + 3 CO2(g) 3) Para la formación de escorias, a una temperatura de 800ºC, la piedra  caliza que se añade, se descompone de la siguiente forma: CaCO3(s) → CaO(s) + CO2 (g) El óxido de calcio formado, reacciona con las impurezas del mineral de  hierro: CaO(s) + SiO2(s) → CaSiO3 (l) Como la escoria es menos densa que el hierro fundido, forma una  capasuperior al metal, que hace posible su separación. El hierro que se  produce se llama arrabio.

Metalurgia del Hierro

‐Obtención del acero a partir del arrabio se hace reaccionar con  oxigeno para… 1) separar el silicio, manganeso, oxidándolos según las  siguientes reacciones: Si(s) + O2(g) → CaSiO3 2 Mn(s) + O2(g) → 2MnO(s) Estos óxidos formados se separan mediante la adición de piedra  caliza que se descompone en CaO, formándose una escoria similar a la obtenida en el alto horno. 2) disminuir la cantidad de carbono por debajo de 2%,  C(s) + O2 (g) → CO2 (g)

Metalurgia del cobre

La metalurgia del cobre depende de que el mineral se presente en forma de sulfuros o de óxidos

PRODUCCIÓN MUNDIAL DE COBRE REFINADO Expresado en millones de Tm de cobre

Pirometalúrgica Hidrometalúrgica

1990

2000

2005

10,2

12,5

14,5

0,6

2,3

3,0

Pasos de la pirometalurgia del cobre:

Concentración del mineral fundición en horno paso a convertidores afino moldeo de ánodos electrorefinación

Concentración del mineral El mineral de sulfuro de cobre en la mina tiene un contenido entre el 0,5-0,2% de cobre: hay que concentrarlo en la mina, mediante flotación

El mineral finalmente dividido, se mezcla con aceite y se agita con detergente disuelto en al inyectra aire las partículas de sulfato de cobre (I) recubiertas de aceite suben a la superficie donde forman una espuma que se puede separar. De esta forma se consigue concentrar el cobre en torno a un 20-40%.

fundición en horno Se eliminan el azufre y el hierro mediante oxidación en estado fundido a una temperatura entre 1200 y 1300 º C. En el horno el azufre se convierte en gas SO2, el cobre y el hierro, conjuntamente con sílice procedente de la arena que se introduce en el horno, permanecen en estado líquido. En esta fase líquida el cobre, por su mayor densidad, se deposita en la parte inferior y se extrae del horno formando parte de un producto que se denomina mata de cobre, con un contenido del 62% de cobre

paso a convertidores Se le somete a una gran oxidación adicional en un proceso discontinuo, consiguiendo un producto intermedio con un contenido en cobre del 99% y gases ricos en SO2

Cu2S(s) + O2 (s) → 2 Cu(s) + SO2 (g)

Afino, moldeo de ánodos El blister pasa al horno de afino donde incrementa su contenido en cobre hasta el 99,6% y posteriormente a la rueda de moldeo de ánodos, donde se da a los ánodos la forma geométrica, semejante a una camiseta de mangas cortas extendidas “T-shirt”, necesaria para su utilización en la Refinería.

electrorefinación Los ánodos pasan a la Refinería para obtener un producto en 99,9% de cobre. Los ánodos que actúan como electrodo positivo y estan separados por una placa inerte que actúa como electrodo negativo Son sumergidos en una disolución de sulfato de cobre (electrolito) y al utilizar una corriente eléctrica de bajo voltaje, se disuelven los ánodos en el electrolito y los iones de cobre resultante se depositan sobre la placa inerte obteniendo unas planchas de 1 m2 de superficie y un peso de 55 kg.

Metalurgia del cobre

El Proceso de Cobre Intec consiste en tres circuitos  secuenciales de: lixiviación: Disolución del cobre en forma de iones Cu(i) y Cu(II),  junto con otras impurezas metálicas Purificación: Reducción del Cu(II) a Cu(I) y separación de Ag, Hg… electro‐deposición (electrowinning):  Reducción de Cu(I) a cobre metalico por electrolisis

hidrometalurgia: cobre Lixivación

Purificación

elctrodeposición

Metalurgia del titanio: metodo kroll En 1937 el doctor Wilhelm Kroll, en asociación con Siemens y Helske, desarrolló un proceso para la obtención de titanio consistente en la reducción del compuesto tetracloruro de titanio con magnesio molido, en una atmósfera de argón para evitar la oxidación. Este fue el primer proceso que permitió laobtención de cantidades apreciables de titanio puro, y se sigue utilizando mayoritariamente en la actualidad. El proceso consta de los siguientes pasos:

1) Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 800°C, en presencia de carbón, mediante la TiO2 + 2Cl2 + 2C → TiCl4 + 2CO 2)Se purifica el tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. 3) Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en una atmósfera inerte, con la reacción: TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2

Metalurgia del magnesio: Proceso Dow

El método mas económico y más importante para producir magnesio Utiliza agua de mar como la materia prima más importante, el agua de mar debe estar tibia , limpia y no debe de estar diluida .

Separación de los iones magnesio del agua del mar,por precipitación de Ca(OH)2: Mg2+ + 2 OH- → Mg(OH)2 Este hidróxido de Mg se trata con HCl según la reacción: Mg(OH)2 + 2 HCl → MgCl2 + 2H2O El MgCl2 se electroliza en estado fundido: MgCl2 (l) → Mg (l) + Cl2 (g) (total)

Metalurgia del Aluminio: proceso Bayer

El proceso bayer, inventado por karl Bayer en 1889, es el método utilizado mayoritariamente para producir alúmina a partir de la bauxita. La bauxita = mineral que contiene entre un 30 y un 54% de aluminio (expresado como Al2O3)* Silice, oxidos de hierro o oxido de titanio. Primero se tritura la bauxita y luego se lava con una solución caliente de sosa NaOH. La sosa disuelve los minerales de aluminio pero no los otros componentes de la bauxita, que permanecen sólidos. Al(OH)3 + OH- + Na* → Al(OH)4- + Na* AlO(OH)2 + OH- + H2O + Na* → Al(OH)4- + Na*

Metalurgia del Aluminio: proceso Bayer

La solución de Al(OH)4-, ya libre de impurezas, se precipita a baja temperatura para formar hidroxido de  aluminio  puro. : Al(OH)4- + Na* → Al(OH)3 + OH- + Na* Por último, el hidróxido se calienta a unos 1050°C, en una operación llamada “calcinacion", para convertirlo en alúmina 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O La alúmina obtenida se utiliza principalmente para producir aluminio metálico mediante electrolisis.

Metalurgia del Aluminio: proceso Bayer

Los metales Suelen presentarse en forma de estructuras cristalinas. ESTRUCTURA CRISTALINA = modelo rígido y geométricamente repetido  conforme al cual se colocan los átomos iones o moléculas 

SIETE SISTEMAS CRISTALINOS:

LAS CATORCE REDES CRISTALINAS

REDES TIPO A: Todos los átomos, iones o moléculas son del mismo tipo Cúbica simple:

Número de átomos por celdilla (asociados): 8x1/8=1 Relación entre la arista y el radio del elemento: a=2r Fracción del espacio ocupado por las esferas: (4/3r3x nº átomos asociados)/a3 Densidad (g/cm3): (Nº atómos por celdilla x (Masa atómica))/a3

ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO

Relación Entre la arista y el radio: r=((3/16)1/2)a

Estructura Cúbica Centrada en las  Caras

Relación Entre la arista y el radio: r=((21/2)/4)a

Estructura Hexagonal Compacta

Relación Entre la arista y el radio: r=a/2

Redes Cristalinas tipo ABn • Átomos, iones  ó moléculas de distintos tamaños • CRISTALES IÓNICOS (anión más grande que el catión) • Modelo: Los aniones forman redes tipo A y los cationes ocupan los  huecos de la red • El tipo de empaquetamiento esta relacionado con el tamaño relativo  de los cationes. • HUECOS EN LAS REDES TIPO A • Cúbicos • Octaédricos • Tetraédricos

Estructuras de los compuestos Iónicos NaCl  FCC

Radio del catión =1,16A Radio del anión=1,67A

Estructuras tipo ABn CsCl CsCl  Radio del catión:1,81 Radio del anión 1,67 Estructura: Cúbica Simple

Estructuras tipo ABn CaF2

Polimorfismo y Alotropía • Polimorfismo: más de una estructura cristalina – SiO2 a 573ºC‐‐>Cuarzo Bajo (Hexagonal) – SiO2 a 1470ºC‐‐>Cristobalita (FCC)

• Alotropía: sólido elemental (P, Tª) – Fe(BCC)‐‐> 912ºC Fe(FCC) – Grafito ‐‐‐>Diamante‐‐ > Fullerenos (variando la Presión y Tª)

Defectos Puntuales • • • •

Solidificación Vacantes Vibraciones Nv=N.e(‐Qv/KT) • • • • •

K=cte. De Boltzman(1.38 10‐13 Julios/átmos.K) T= Temperatura (K) N= nº de lugares ocupados Qv= Energía de activación Cuando T=Tª fusión   Nv/N=10‐4

Defectos Lineales. Dislocaciones • Defectos Lineales  (unidimensionales)    Deformación Mecánica. • Tipos de Dislocaciones: – Borde Ejemplo : Un semiplano Extra de átomos

– Helicoidal. Apilamiento en  expiral de planos  cristalinos

Dislocaciones Dislocación Mixta: doble carácter, borde e helicoidal

Movimiento  de las dislocaciones

Defectos Planares. Bordes de Grano • Grano:porción del material dentro del cual el  ordenamiento de los átomos es igual. • B. de Grano. Separan zonas del material con  diferente orientación cristalográfica y/o estructura  cristalina. • Superfices externas. – Átomos superficiales no enlazados con el máximo de  átomos vecinos. • Más energéticos

Defectos planares • Límites de Grano. – Separan dos cristales con distinta orientación – Límite desordenamiento en la orientación cristalina entre  átomos vecinos.

– Obstaculizan el movimiento de las dislocaciones. – Menor tamaño de grano, mayor nº de límites de grano, mayor  dureza

Límites de macla • Tipo especial de límite de grano que  presenta geometría especular. • Macla Despalzamiento  atómico causado  por. – Fuerzas Mecánicas  Maclas Mecánicas – Tratamientos térmicos:  Recocido

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES CONCEPTO DE TENSIÓN F

F

F/A=FUERZA/ÁREA0

F

F

F TORSIÓN

TRACCIÓN

F

COMPRESIÓN

CIZALLADURA

CONCEPTO DE DEFORMACIÓN ELÁSTICA Deformación Elástica deformación directamente proporcional a la Tensión

DEFORMACIÓN 

MÓDULO DE YOUNG

(MÓDULO DE ELASTICIDAD) E=

TENSIÓN PA

E: cerámicos> metales> polímeros 

LEY DE HOOK

Al aumentar la Tª E disminuye

CONCEPTO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA

Deformación PERMANENTE

y TENSIÓN PA

P

DEFORMACIÓN 

Comportamiento de un material con dos Límites Elásticos (A. Inoxidables) Tensión (MPa)

Límite Elástico Superior

Límite Elástico Inferior

Deformación (%)

Ensayo de tracción

Curva de tensión -Deformación

Propiedades Mecánicas obtenidas en el ensayo de tracción: Resistencia a la tracción es la carga máxima resistida por la probeta dividida por la sección inicial de la probeta. La ductilidad es la propiedad que presentan los materiales cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. La tenacidad es la resistencia que opone un material a ser roto,

1-Módulo de Elasticidad; 2- Límite elástico; 3- Resistencia a la tracción; 4Ductilidad; 5- Tenacidad

TENSIÓN REAL – DEFORMACIÓN REAL La tensión se calcula dividiendo la fuerza aplicada F sobre una muestra a la que se aplica un ensayo de tensión por el área inicial Ao. Puesto que el área de la sección de la muestra bajo el ensayo cambia continuamente durante el ensayo de tensión, el cálculo de esta no es preciso. Durante el ensayo de tensión, después de que ocurra el estrangulamiento de la muestra, la tensión decrece al aumentar la deformación, llegando a una tensión máxima en a curva de tensión – deformación. Por ello, una vez que comienza el estrangulamiento durante el ensayo de tensión, la tensión real es mayor que tensión en ingeniería. Es posible definir la tensión real y la deformación real como sigue:

FRACTURA

TENSIÓN REAL O INGENIERIL (MPa)

CURVA TENSIÓN REAL

ESTRICCIÓN

CURVA TENSIÓN INGENIERIL

FRACTURA

DEFORMACIÓN REAL O INGENIERIL (mm/mm)

Propiedades Mecánicas

DUREZA Es una medida de la resistencia de un material a la deformación permanente (plástica) en su superficie, o sea la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado. En las medidas de dureza mecánica se utiliza un penetrador sobre la superficie del material. Sobre este penetrador se ejerce una carga. El penetrador tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda impresa en el material. De acuerdo a la geometría de la huella y a la carga. Se utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la dureza: Brinell Vickers Knoop Rockwell

DUREZA Penetrador Superficie de la muestra

Carga

Profundidad Huella Diámetro

Propiedades Mecánicas

DUREZA

Propiedades Mecánicas

Tensión (MPa)

Resistencia

Ductilidad

Dureza

Resistencia Dureza

Ductilidad

Resistencia Ductilidad Dureza Deformación (%)

Propiedades Mecánicas

COMPARACIÓN DEL ÍNDICE DE DUREZA BRINELL CON LA RESISTENCIA A TRACIÓN RESISTENCIA A TRACIÓN (MPa) = 3,45 * HB

Propiedades Mecánicas

Diagramas de fases:

Un típico diagrama de fase. La línea con puntos muestra el comportamiento anómalo del agua. La línea verde marca elpunto de congelación y la línea azul, el punto de ebullición. Se muestra como ellos varían con la presión.

Diagramas de fases:

Diagramas de fases:

Diagramas de fases:

Diagramas de fases: Liquido/ gas

TA* y TB* = puntos de ebullición normal de los líquidos A y B puros

Si se calienta isobáricamente un sistema cerrado de composición xA, el vapor aparece por primera vez en el punto L. Conforme aumenta la temperatura y se va evaporando más líquido, éste se va enriqueciendo en el componente B, menos volátil y con mayor punto de ebullición. El vapor que aparece en primer lugar cuando se evapora una disolución de composición xA tiene una fracción molar xA,v dada por el punto Q.

diagrama de fases líquido-vapor de temperatura frente a composición para una disolución ideal a presión constante.

Finalmente, se alcanza el punto N, donde se evapora la última gota de líquido

Diagramas de fases: Solido/Liquido: solido = 1 fase

Diagramas de fases: Solido/Liquido: Más de una fase solida

Algunas veces hay una mezcla de los elementos constituyentes que solidifican a una unica temperatura como un elemento puro, este punto se llama punto eutéctico,

Región Eutectoide: