UNIDAD 1 INTRODUCCION

La metalurgia es una ciencia nueva ¿Quién lo habría creído unos años atrás? Desde siempre la metalurgia había sido considerada como una simple técnica peligrosa y sucia, indigna de los intelectuales y de las refinadas elegancias. Sin embargo Vulcano (efesto) tuerto, cojo, deforme y repulsivo, era el esposo de Venus (afrodita). Los griegos y romanos rendían un gran homenaje al dios artesano del fuego y del metal. La época moderna ha puesto a la Metalurgia en el sitial que corresponde entre las demás ciencias. Hoy en día, Vulcano vestiría de bata blanca.* *Traducido del prólogo “Introduction to metallurgy”, A. H. Cottrell 1967

A la luz de los conocimientos metalúrgicos actuales, y habida cuenta de los muchos problemas que quedan por resolver, resulta sorprendente que los antiguos fuesen capaces de reducir los minerales, afinar los metales resultantes y colarlos en forma de objetos útiles. Los procesos y técnicas metalúrgicas tienen muchos años de antigüedad; LA METALURGIA ES UN ARTE ANTIGUO, PERO UNA CIENCIA RELATIVAMENTE NUEVA. *Introducción “Metalurgia Aplicada”, Malcolm S Burton.

Arqueometalurgia

El hombre ha sido minero desde los albores de la humanidad El hombre ha sido minero desde los albores de la humanidad. Primero a través de las industrias líticas: fragmentos de rocas o minerales más o menos trabajados para su uso como herramientas o armas; luego continuó con los metales, extrayéndolos desde los minerales (Era del Cobre, Era del Bronce, Era del Hierro), refinándolos y combinándolos en aleaciones a medida que progresaba, de paso, inventando la metalurgia. Reconstrucción de una antigua operación de lixiviado en pila para la obtención de cobre, en Chipre hacia el siglo II D.C. 1: Cubierta impermeable; 2: pila de de rocas mineralizadas fragmentadas; 3: capa de guijarros (capa permeable); 4: techo y base de la galería de material no mineralizado impermeable; 5: estalactitas de vitriolo (CuSO4); 6: ánforas para recolectar las soluciones percolantes; 7: minero.

Era de Piedra (Paleolítico, Mesolítico, Neolítico) Lista con los principales hitos minero-metalúrgicos (y tecnológicos asociados) de la humanidad: Era de Piedra (Paleolítico, Mesolítico, Neolítico) Era del Cobre: 6000 A.C. (comienzo). Era del Bronce: 2500 A.C (comienzo). Era del Hierro: 1000 A.C. (comienzo). Invención de la Pólvora Era del Carbón: 1600 D.C. (comienzo). Revolución Industrial: 1750-1850 D.C. Era del Petróleo: 1850 D.C. (comienzo). Era Eléctrica: 1875 D.C. (comienzo). Era Atómica: 1945 D.C. (comienzo). If it isn't grown it has to be mined (si no se cultiva, entonces hay que extraerlo de una mina)

Hernán Lorusso(1), Hernán G. Svoboda(1,2), Horacio M. De Rosa(1) Ejemplos de trabajos: ESTUDIO ARQUEOMETALÚRGICO DE CLAVOS PERTENECIENTES A EMBARCACIONES BALLENERAS HALLADAS EN LA ANTARTIDA ARGENTINA. Hernán Lorusso(1), Hernán G. Svoboda(1,2), Horacio M. De Rosa(1) (1) Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniería, Dpto. Ing. Mecánica, Paseo Colón 850, Buenos Aires,Argentina. (2) Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniería, Laboratorio de materiales y Estructuras, Las Heras 2214, Buenos Aires, Argentina.

Trabajos para exponer

Metales Compuestos Cerámica Polímeros Según su uso, los materiales se clasifican en: Metales Cerámica Polímeros Compuestos Semiconductores

Materiales metálicos Sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos (aleaciones) Los átomos están dispuestos de manera ordenada Buenos conductores eléctricos y térmicos Resistentes y dúctiles a temperatura ambiente (pueden ser conformados con facilidad) Son opacos a la luz visible La superficie pulida tiene apariencia lustrosa Ej.: Acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre, níquel, etc.

Tabla periódica de los elementos

Aceros (Fe, C, Ni, Cu..) Fundiciones (Fe, Si, C, Mn..) Metales ferrosos Metales no ferrosos Aluminio y sus aleaciones Cobre y sus aleaciones Magnesio y sus aleaciones Níquel y aleaciones base níquel Aleaciones de zinc, plomo y estaño Titanio y aleaciones de titanio

Usos Aviones Automóviles Cascos de Barco Conductores de electricidad

Materiales cerámicos Materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no metálicos cohesionados químicamente Cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos La mayoría de los cerámicos tienen elevada dureza y alta resistencia a la compresión Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto eléctrica como térmica. Son frágiles, tiene escasa resistencia al impacto Bajo peso, alta resistencia al calos y al desgaste, poca fricción Propiedades aislantes Ejemplo: óxidos, nitruros, carburos, minerales de arcilla, cemento, vidrio

Tabla periódica de los elementos que forman compuestos cerámicos

Tipos de materiales cerámicos

Polímeros Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos al caucho Se caracterizan por tener baja densidad y extraordinaria flexibilidad Poseen una resistencia eléctrica y térmica elevada. Tienen buena relación resistencia peso. No se recomiendan para aplicaciones a alta temperatura. Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a las sustancias corrosivas.

Tabla periódica donde se indican los elementos asociados a los principales polímeros comerciales

La polimerización se produce cuando las moléculas pequeñas llamadas monómeros, se combinan para producir moléculas más largas o polímeros.

Según sus aplicación y su comportamiento a temperatura, se clasifican en: Termoplásticos Termoestables Elastómeros

Elastómeros Polímeros (termoplásticos o termoestables, con pocos enlaces cruzados) que tienen una deformación elástica mayor al 200%.

Materiales Compuestos Constan de dos o mas materiales físicamente distintos y separables mecánicamente (difieren en forma y composición química y son insolubles entre sí) Pueden fabricarse mezclando los distintos materiales de tal forma que la dispersión de un material en el otro pueda hacerse de manera controlada Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún aspecto especifico, a las propiedades de los componentes por separado

Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles, con resistencia a las altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro modo. También se pueden fabricar herramientas de corte muy resistentes al impacto que de otra manera serían quebradizas. Ej.: concreto, hormigón armado, la madera contrachapada, fibra de vidrio, etc.

Industria Usos aeronáutica Alas, fuselaje, tren de aterrizaje automóviles Carrocerías, parrillas, parachoques náutica Cascos, cubiertas, mástiles química Recipientes de presión deportes Cañas de pescar, palos de golf

Para ingeniería, los materiales compuestos más importantes son: Plásticos reforzados con fibras Hormigón Asfalto Madera Materiales compuestos de matriz metálica y matriz cerámica

La era de los nuevos materiales ¿De qué están hechos los coches? Aquellos tiempos en los que el hierro y la madera eran los materiales predominantes en la construcción de un coche han pasado a la historia. Ahora hablamos del magnesio, del aluminio o de las fibras de carbono.

Materiales electrónicos o semiconductores Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos. No son importantes por su volumen pero sí son extremadamente importantes por su avanzada tecnología. La información hoy día se transmite por luz a través de sistemas de fibras ópticas, los semiconductores convierten las señales eléctricas en luz y viceversa. El más importante de los materiales electrónicos es el silicio puro, al que se puede modificar para cambiar sus características eléctricas. Con estos materiales se han podido crear fabricar los circuitos integrados que han revolucionado la industria electrónica y de ordenadores

Tabla periódica donde se indica los elementos semiconductores y los elementos que forman compuestos semiconductores (columnas III/V y II/VI)

Estructura atómica y enlaces

La estructura de los materiales se clasifica en cinco niveles: - Macroestructura (> 1000 nm) - Microestructura (10 – 1000 nm) - Nanoestructura (1 – 100 nm) - Arreglos atómicos de corto y largo alcance - Estructura atómica

Estructura atómica y enlaces Cristalinos Amorfos Disposición geométrica de los átomos Interacciones entre átomos y moléculas Propiedades Estructura atómica Propiedades físicas - conductividad eléctrica - propiedades magnéticas - características térmicas y elásticas

Disposición geométrica de los átomos SiO2 cristalino o cuarzo  SiO2 amorfo o vidrio

Enlace químico Fuerza entre los átomos que los mantiene unidos en las moléculas. Cuando dos o más átomos se acercan lo suficiente, puede producirse una fuerza de atracción entre los electrones de los átomos individuales y el núcleo de otro u otros átomos. Si esta fuerza es lo suficientemente grande para mantener unidos los átomos, se dice que se ha formado un enlace químico. Todos los enlaces químicos resultan de la atracción simultánea de uno o más electrones por más de un núcleo.

Metálicos --------- Covalente ----------- iónico REGLA DEL OCTETO Enunciada en 1916 por Gilbert Newton Lewis, dice que la tendencia de los átomos de los elementos del sistema periódico, es completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de 8 electrones tal que adquiere una configuración semejante a la de un gas noble. 1875-1946 Metálicos --------- Covalente ----------- iónico

La electronegatividad (Pauling) de un elemento es la capacidad que tiene un átomo de dicho elemento para atraer hacia sí los electrones, cuando forma parte de un compuesto. Iónico (diferencia superior o igual a 1.8) Covalente (diferencia entre 1.8 y 0.4) 1901-1994 Fr F

Enlaces atómicos Existen cuatro mecanismos importantes mediante los cuales los átomos se enlazan o unen en los materiales: Enlace metálico Enlace covalente Enlace iónico Enlace de Van der Waals Enlaces primarios Enlace secundario

Las propiedades de las sustancias dependen en gran medida de la naturaleza de los enlaces que unen sus átomos

Enlace Metálico Características: Alta conductividad térmica y eléctrica Alta ductilidad Opacos a la luz visible

Cuando se aplica voltaje a un metal, los electrones se mueven con facilidad y conducen la corriente

En los metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos, en una ordenación sistemática o estructura cristalina. a) Disposición atómica en un cristal de cobre metálico b) Diagrama esquemático bidimensional de átomos entrelazados metálicamente

La mayoría de los metales pueden ser deformados considerablemente sin fracturas debido a que los átomos de metal se pueden deslizar unos sobre los otros sin distorsionar completamente la estructura de enlace metálico

Enlace Covalente Características (sólidos): Alto punto de fusión -No conductor Alta dureza Frágiles

Algunos átomos forman nuevas moléculas por medio de enlaces covalentes, compartiendo los electrones de sus orbitales más externos Representación esquemática de enlace covalente de una molécula de metano (CH4). Representación esquemática de una molécula de sílice

Los átomos de carbono en el grafito están dispuestos en capas paralelas. En la capa cada átomo está enlazado a otros tres con ángulos de 120º formando hexágonos. Estructura cubica del diamante

Enlace iónico Características: Temperatura de fusión y ebullición altas Alta dureza No conductores de la electricidad Generalmente solubles en agua

Cuando se aplica un voltaje a un material iónico, se deben mover los iones completos para que la corriente pueda pasar.

Comparación entre el comportamiento de un sólido metálico y otro iónico cuando se someten a una fuerza externa

Enlaces de Van der Waals: atracción electrostática débil que ocurre entre átomos o moléculas que están polarizadas, es decir, en los casos en que los centros de las cargas positivas y negativas no coinciden, originándose así un dipolo . La molécula de agua es eléctricamente polar, debido a su estructura no alineada.

C O d+ d- + - d+ d- - - H O d- + d+ - ENLACES DE VAN DER WAALS Entre dipolos permanentes (moléculas polares) d+ d- + - Entre dipolos instantáneos (ej.: Gases nobles) d+ d- - - + - O H d+ d- Entre dipolos inducidos (ej.: moléculas apolares en agua)

En el PVC (cloruro de polivinilo) las cadenas están unidas por enlaces de van der Waals

COVALENTE MACROMOLECULAR   TIPO DE SÓLIDO METÁLICO Na IÓNICO NaCl MOLECULAR H2O COVALENTE MACROMOLECULAR SiO2 PARTÍCULAS EN NODOS DE LA RED RESTOS ATÓMICOS (NÚCLEOS+CORTEZA ELECTRÓNICA INTERNA) RODEADOS DE UNA NUBE ELECTRÓNICA ANIONES Y CATIONES MOLÉCULAS O ÁTOMOS INDIVIDUALES (GASES NOBLES) ÁTOMOS FUERZAS DE UNIÓN ENTRE PARTÍCULAS ENLACE METÁLICO (ORBITALES MOLECULARES DESLOCALIZADOS) ELECTROSTÁTICAS FUERZAS DE VAN DER WAALS Y/O PUENTES DE HIDRÓGENO ENLACE COVALENTE PROPIEDADES SÓLIDOS DE BLANDOS A DUROS CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD Y EL CALOR PUNTO DE FUSIÓN VARIABLE, AUNQUE ALTO EN GENERAL SÓLIDOS DUROS QUEBRADIZOS MALOS CONDUCTORES EN SÓLIDO, CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD FUNDIDOS O EN DISOLUCIÓN PUNTOS DE FUSIÓN ALTOS SÓLIDOS BLANDOS MALOS CONDUCTORES PUNTOS DE FUSIÓN BAJOS EN GENERAL: UNA GRAN PARTE SON LÍQUIDOS O GASES EN CONDICIONES NORMALES SÓLIDOS MUY DUROS MALOS CONDUCTORES, EN GENERAL  

Propiedades físicas y estructurales de los materiales asociados con el tipo de enlace atómico. Enlace iónico Enlace covalente Enlace metálico Enlace de Van der Waals Estructurales No direccional, determina estructuras de alta coordinación Especialmente dirigido y numéricamente limitado, determina estructuras de baja coordinación y baja densidad No direccional, determina estructuras de alta coordinación y alta densidad Análogo al metálico Mecánicas Resistente, cristales de gran dureza Resistentes y de gran dureza, poca ductilidad Resistencia variable, presentan por lo general plasticidad Baja resistencia, cristales blandos Térmicas Medianamente alto punto de fusión, bajo coeficiente de expansión, iones al estado líquido Alto punto de fusión, baja expansión térmica, moléculas al estado líquido Punto de fusión variable, gran intervalo de temperaturas al estado líquido Bajo punto de fusión, alto coeficiente de expansión Eléctricas Aisladores moderados, conducción por transporte iónico en el estado líquido. Aisladores en el estado sólido y líquido Conductores por transporte electrónico Aisladores Ópticas y magnéticas Absorción y otras propiedades son características de los iones individuales Alto índice de refracción, absorción totalmente diferente en soluciones y/o gases Buenos reflectores de la radiación visible Propiedades características de las moléculas individuales