© Ed. Santillana. Química 2º Bach.

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1 © Ed. Santillana. Química 2º Bach.
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA METALURGICA Y DE MATERIALES CURSO : CONFORMADO DE METALES PROFESOR : Ing. CÉSAR BASURTO C. TEMA :ESTRUCTURA ATOMICA Y CRISTALINA HUANCAYO - PERU

2 ESTRUCTURA FIG .No 1 ATOMOS (Distribución de electrones)
FIG.No 2 Arreglo atómico ( tipo de enlace ,y tamaño relativo de iones o átomos) ESTRUCTURA FIG .No 1 ATOMOS (Distribución de electrones) FIG. No. 3 Granos, forma y tamaños de los Granos FIG .No. 4 Aleaciones multifásicas ( tipo, distribución y cantidad)

3 ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACE
Teoría Atómica Átomo: unidad estructural básica de todos los materiales de ingeniería. Protones Neutrones Electrones Los electrones mas externos de la nube electrónica son los responsables de: Propiedades Eléctricas Propiedades Mecánicas Propiedades Químicas Propiedades Térmicas

4 ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACE
Teoría Atómica Electronegatividad: capacidad de un átomo de atraer electrones de enlace. Metales: baja electronegatividad No metales: alta electronegatividad Enlaces Atómicos y Moleculares Fuerza que mantiene unidos a los átomos y las moléculas.

5 Electronegatividad

6 ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACE
Enlaces Atómicos y Moleculares Tipos de enlaces Primarios ó fuertes Secundarios ó débiles Enlaces Primarios: desarrollan grandes fuerzas interatómicas Iónico: atracción mutua de cargas (iones) positivas y negativas Se produce entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muy electronegativos (no metálicos) Electropositivo e Electronegativo (cationes) (aniones)

7 ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACE
Material No. Atómico Punto de Fusión (°C) Carbono 6 3750 Silicio 14 1421 Estaño 50 232

8 Enlace iónico

9 Enlace covalente

10 ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACE
Covalente: se forma entre átomos con poca diferencia de electronegatividad y próximos en la tabla periódica. Ej.: materiales sintéticos. Metálico: el que origina los metales sólidos Átomos empaquetados relativamente juntos Ordenación sistemática o estructura cristalina Alta movilidad de los electrones de enlace Conductividad eléctrica, térmica, ductilidad Enlaces secundarios Molecular: mantiene unidas dos o mas moléculas Fuerza Enlace (alta) Punto de fusión (alto) Numero atómico (alto) Fuerza Enlace (baja)

11 Fuerzas de Van der Waals

12 Estructura Cristalina

13 Sistemas cristalinos HCP: Hexagonal compacta.
FCC: Cúbica centrada en las caras BCC: Cúbica centrada en el cuerpo

14 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
COMPOSICIÓN DE LA MATERIA I Partículas Subatómicas: Protones, electrones, neutrones Átomo: Núcleo: Protones y neutrones Número atómico Z: número de protones en el núcleo Número másico A: suma del nº de protones (Z) y de protones (N) que se encuentran en el núcleo. Fuerzas nucleares: Fuerzas de interacción que mantienen unidos a protones y neutrones. Corteza: Electrones Se encuentran en orbitales o niveles energéticos Tabla periódica: Ordenación de los elementos por su nº atómico. Se agrupan en períodos (filas) y grupos (columnas)

15 COMPOSICIÓN DE LA MATERIA II
Tipos de elementos químicos: El número de electrones en la capa externa de cada elemento determina su comportamiento químico. Esto determina 3 grupos: Gases Nobles: Capa externa completa. Químicamente inertes. No Metales: Capa exterior a la que le falta algún electrón y por ello manifiestan elevada afinidad electrónica. Capturan electrones y se convierten en iones negativos. Metales: Muy pocos electrones en la capa más externa, por tanto baja afinidad electrónica. Ceden electrones y se convierten en iones positivos.

16 COMPOSICIÓN DE LA MATERIA III
Enlaces químicos I: Moléculas: Formadas por dos o más átomos y constituyen la parte más pequeña de un compuesto químico. Enlace químico: Fuerza responsable de la unión estable entre los iones, átomos o moléculas que forman las sustancias. Enlace iónico: Entre elementos de diferente afinidad electrónica. Frecuentes entre metal y no metal. Aparecen fuerzas electrostáticas entre los iones positivos y los negativos formando una red cristalina iónica. Propiedades: Sólidos a temperatura ambiente, duros y frágiles. Punto de fusión elevado y solubles en agua Buena conductividad eléctrica en disolución o en estado fundido

17 COMPOSICIÓN DE LA MATERIA IV
Enlaces químicos II: Enlace covalente: Entre átomos de un mismo elemento o de afinidad electrónica similar. Según teoría cuántica, los orbitales de valencia se superponen entre sí formando un orbital molecular. Propiedades: Pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas a temperatura ambiente. Puntos de fusión y de ebullición relativamente bajos. Dependiendo de la estructura interna, solubles en agua u otros disolventes. No suelen ser buenos conductores de la electricidad.

18 COMPOSICIÓN DE LA MATERIA V
Enlaces químicos III: Enlace metálico: Suele darse entre elementos metálicos por poseer en su última capa electrones que pueden ser compartidos. Los átomos ceden sus electrones convirtiéndose en iones positivos los cuales forman una red cristalina. Los electrones cedidos forman una nube electrónica alrededor de los iones y se pueden desplazar a lo largo de la estructura. Propiedades: Mayoritariamente sólidas a temperatura ambiente (exepto. mercurio) Buenas propiedades mecánicas (tenacidad, ductilidad y maleabilidad). Buenas conductoras del calor y la electricidad.

19 ESTRUCTURAS CRISTALINAS
La materia se presenta en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso Sólidos: tienen forma y volumen constante. Líquidos: tienen volumen casi constante pero adoptan la forma del recipiente que les contiene. Gaseosos: Tienden a expandirse para ocupar el máximo volumen posible y adoptan la forma del recipiente que les contiene Los líquidos y gases no presentan estructura interna. Los sólidos pueden presentarse en estado amorfo o formando una estructura cristalina. Estado amorfo: las partículas se agrupan al azar. Estructura cristalina: supone la ordenación regular de los átomos, iones y moléculas componentes de una sustancia según formas geométricas determinadas. Cada sustancia cristalina se caracteriza por la posición que ocupan sus partículas, siempre la misma. Cuando se rompen lo hacen en planos y ángulos determinados por el tipo de cristal

20 Estructura Cristalina

21 Sistemas cristalinos HCP: Hexagonal compacta.
FCC: Cúbica centrada en las caras BCC: Cúbica centrada en el cuerpo

22 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES I
Ensayos: Procedimientos complejos de observación para conocer la composición y el comportamiento de un determinado material. Propiedades: Las propiedades de los materiales se agrupan en tres categorías: físicas, químicas y mecánicas. Físicas: La extensión y la impenetrabilidad son atributos propio del material. El comportamiento del material bajo la acción de agentes físicos externos como el calor, electricidad, magnetismo o luz. Químicas: Las más importantes son la oxidación y la corrosión, sobre todo en metales. Mecánicas: Definen el comportamiento de los materiales frente a determinadas acciones mecánicas exteriores como fuerzas o desplazamientos.

23 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES III
Propiedades mecánicas II: Maleabilidad: Capacidad de deformarse plásticamente frente a esfuerzos de maleabilidad. Tenacidad: Capacidad de absorber energía frente a esfuerzos bruscos exteriores antes de romperse o deformarse. Debe ser elástico y plástico a la vez. Fragilidad: Cualidad contraria a la tenacidad. Tienen el límite de elasticidad y el de rotura muy próximos: carecen de zona plástica. Fatiga: Resistencia a la rotura por un esfuerzo de magnitud o sentido variable. Resiliencia: Capacidad de un material de absorber energía en la zona elástica ante esfuerzos de rotura.

24 MATERIALES CERÁMICOS I
Constitución de los materiales cerámicos I: Grupo amplio de materiales en los que se incluyen las arcillas y sus derivados, los cementos y los hormigones. Tradicionalmente usados en construcción aunque la aparición de nuevos materiales cerámicos ha ampliado el ámbito de aplicación. Entre los materiales cerámicos puros destacan: óxido de aluminio, nitruro de silicio, carburo de silicio y carburo de tungsteno. Con frecuencia aparecen mezclados con otros óxidos metálicos y algunos compuestos de carbono. Presentan una estructura atómica formada por enlaces híbridos iónico-covalentes que posibilitan gran estabilidad de sus electrones. Propiedades derivadas: Dureza Rigidez Elevado punto de fusión

25 MATERIALES CERÁMICOS II
Constitución de los materiales cerámicos II: Su estructura reticular tiene menos electrones libres que la de los metales, por que resultan menos elásticos y tenaces que éstos. Según su micro estructura, tres grandes grupos: Cerámicos cristalinos: Obtenidos a partir de sílice fundida. El proceso de fusión y de solidificación son lentos lo que permite a los átomos organizarse en cristales regulares. Presentan gran resistencia mecánica y soportan altas temperaturas. Se emplean en fabricación de motores, radiadores de infrarrojos, herramientas de corte y cojinetes. Cerámicos no cristalinos (vidrios): Obtenidos a partir de sílice fundida pero el proceso de enfriamiento es rápido, por lo que no cristalizan. Su resistencia mecánica y térmica son inferiores a las de los cristalinos. Se usan en la fabricación de vidrios.

26 MATERIALES CERÁMICOS II
Constitución de los materiales cerámicos III: Tercer grupo: Vitrocerámicos: Fabricados a partir de silicatos de aluminio, litio y magnesio con un proceso de enfriamiento rápido. Químicamente similares a los vidrios convencionales. La mayor complejidad de sus moléculas determina la aparición de microcristales que les confieren mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica. Adecuados para la fabricación de hornos y resistencias eléctricas.

27 MATERIALES CERÁMICOS III
Propiedades y aplicaciones: Son muy duros. Presentan gran resistencia mecánica al rozamiento, desgaste y cizalladura Soportan altas temperaturas Gran estabilidad química y son resistentes a la corrosión Amplia gama de cualidades eléctricas

28 ALEACIONES I Definición: Los metales químicamente puros son muy difíciles de obtener. Sólo se usan en estado puro en caso de ser necesaria alguna propiedad específica como conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión u otras dependiente de la pureza. Una aleación es una mezcla homogénea o una disolución sólida de un metal con otros elementos, metálicos o no metálicos, que conserva el aspecto y las propiedades de un metal. El metal presente en mayor proporción se denomina base y los restantes elementos aleantes. Se obtienen fundiendo juntos el metal base y los aleantes. Se empieza por los de mayor punto de fusión. Una vez la mezcla es homogénea se deja enfriar.

29 ALEACIONES II Condiciones para una aleación: Para poder formar una aleación, los elementos deben cumplir: Los elementos deben ser miscibles en estado líquido y Formar una mezcla homogénea cuando solidifiquen. El producto obtenido ha de tener carácter metálico. Propiedades: Las propiedades de las aleaciones son muy variadas. No dependen sólo de la naturaleza del metal base y de la de los aleantes, sino también de la proporción en que éstos sen encuentre.

30 ALEACIONES III Aceros aleados I: Los aceros convencionales al carbono no cumplen todas las exigencias del desarrollo tecnológico actual. Los aceros convencionales no satisfacen varias condiciones simultáneamente. Para conseguir las condiciones requeridas, se emplean elementos de aceración en porcentajes adecuados. Aceros al cromo: Proporción de cromo entre el 12% y el 15% Elevada resistencia a la corrosión gracias al recubrimiento de óxido de cromo. Cuando presentan pequeños porcentajes de carbono poseen gran dureza. Empleados en cuchillería, automóviles, electrodomésticos, construcción de hogares y calderas de alta temperatura.

31 Conocidos como aceros inoxidables.
Aceros al cromo-níquel: Proporciones en torno al 18% de cromo y 10% de níquel, pequeños porcentajes de molibdeno y titanio. Conocidos como aceros inoxidables. Caracterizados por inoxibilidad y buenas cualidades mecánicas que le confieren elasticidad y capacidad de alargamiento a temperatura ambiente. Por ello pueden ser embutidos y deformados por forja. Si proporción de níquel entre el 25% y el 35% aumentan la resistencia y se les llama aceros al níquel. Usados en utensilios que necesiten gran inoxibilidad: cuberterías, material quirúrgico, recipientes de cocina, recubrimientos de superficie, embellecedores, etc.

32 Aceros aleados III: Aceros refractarios: Mayores porcentajes de cromo y níquel que los inoxidables. Además, pequeñas cantidades de titanio, manganeso, molibdeno y volframio. Duros, resistentes al desgaste e inoxidables a altas temperaturas. Dúctiles y admiten soldadura. Se fabrican alabes de turbinas de vapor, engranajes, bulones, componentes de misiles, válvulas de motores, resortes, etc.

33 Aleados con volframio, cromo, vanadio y molibdeno.
Aceros aleados IV: Aceros de corte rápido: Aleados con volframio, cromo, vanadio y molibdeno. Permiten grandes velocidades de corte sin reblandecimiento, aunque alcance los dientes de la sierra alcancen altas temperaturas. Obtención muy delicada debido a las condiciones necesarias. Empleados en la elaboración de herramientas para tornear, fresar, taladrar, cepillar, aserrar, cortar, etc.

34 TRATAMIENTOS A LOS MATERIALES I
Tratamientos térmicos I: Se someten los metales y las aleaciones a procesos de calentamiento y enfriamiento variando su estructura cristalina y estructura, pero no su composición química Recocido: Calentar, mantener y enfriar lentamente. Esto elimina anomalías estructurales. Se deja en un horno de mufla hasta que alcance la temperatura del medio ambiente. Distintos tipos de recocido: Homogeneización Regeneración Estabilización

35 Temple: Calentamiento y enfriamiento rápido. Se consigue una estructura de la superficie anormalmente dura (debido al proceso de enfriamiento rápido). Tipos de temple: Martensítico, nombre debido a la martensita, aleación muy rica en carbono de extrema dureza y fragilidad. Aplicada a los aceros. Precipitación, el enfriamiento provoca la precipitación de un compuesto que pone en tensión los cristales del metal y los endurece. Temple superficial, calentamiento rápido y enfriamiento rápido. Se logra un temple martensítico sólo en la superficie. Se logra tenacidad, resiliencia y resistencia al desgaste. Aplicado a piezas con gran rozamiento superficial.

36 Calentamiento inferior a la del temple y enfriamiento rápido.
Revenido: Calentamiento inferior a la del temple y enfriamiento rápido. Se consigue mejorar la tenacidad a costa de la dureza. Factores: temperatura de calentamiento y tiempo de permanencia. Aplicado sólo a los materiales templados con el fin de eliminar la fragilidad y las tensiones internas. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS: Calentamiento y enfriamiento de los metales al tiempo que se les aporta otros elementos con el fin de modificar su composición química superficial. Se consigue aumentar la dureza superficial sin modificar la ductilidad, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión.

37 Se pueden llevar a cabo en caliente o en frío.
TRATAMIENTOS MECÁNICOS: Operaciones de deformación permanente de los metales mediante esfuerzo mecánico. Mejoran la estructura interna al eliminar fisuras y cavidades internas y homogeneizar el metal. Se pueden llevar a cabo en caliente o en frío. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES: Mejora de las cualidades superficiales de los metales. Los dos tipos más conocidos: metalización y el cromado duro.

38 OXIDACIÓN Y CORROSIÓN Oxidación: En ambiente cálido y seco el oxígeno provoca la oxidación de muchos materiales. Es una reacción en la cual el elemento que se oxida cede electrones al elemento oxidante. Otros oxidantes aparte del oxígeno (cloro, bromo, azufre, hidrógeno, yodo, óxidos de azufre y de carbono). En algunos metales el proceso de oxidación depende de la temperatura: A temperatura ambiente la capa de óxido es compacta. Esto evita el contacto con el oxidante y que continúe la oxidación. Si la temperatura se eleva, se puede producir un agrietamiento de la capa de óxido, con lo que la oxidación llega al interior.

39 Se producen dos reacciones simultáneas:
Corrosión: Se produce en ambientes húmedos. Se denomina al proceso de destrucción lenta y progresiva de un material producido por el oxígeno del aire combinada con la humedad. Es un proceso electroquímico, pues en la superficie del metal se generan micropilas galvánicas. La humedad actúa como electrolito. Se producen dos reacciones simultáneas: Reacción anódica: Tiene lugar en la superficie del metal, que actúa como ánodo y cede electrones con lo que se forma el óxido. Reacción catódica: Consiste en la captura de los electrones por los radicales OH- y el posterior desprendimiento de hidrógeno. Los agentes corrosivos más habituales son: cloruro de sodio y el dióxido de azufre.

40 PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN
Modificación química de la superficie: Creación por medios químicos de una capa protectora o capa de conversión. Distintos tipos: cromatizado, fosfatación y la oxidación anódica. Cromatizado: Aplicación de soluciones que contienen ácido crómico o derivado con el fin de provocar la aparición de una capa de óxido compacta. Empleada en el hierro y como protección adicional en los recubrimientos electrolíticos del cinc, cobre, plata y estaño. Fosfatación: Aplicación de soluciones de ácido fosfórico y de fosfatos de cinc, cadmio o manganeso para originar la aparición de una capa de fosfatos metálicos que son insolubles en agua. Se emplea en hierros y aceros cuando han de ser posteriormente pintados o plastificados.

41 Se emplean procedimientos electrolíticos.
MODIFICACIÓN QUÍMICA DE LA SUPERFICIE Oxidación anódica: Creación de una capa de óxido metálico compacto superior a la que se produce por oxidación natural. Se emplean procedimientos electrolíticos. Usado principalmente en industria con el aluminio. Se obtiene aluminio anodizado. La capa de óxido queda fuertemente adherida al soporte aunque presenta porosidad. Por esto es necesario sumergir la pieza en agua hirviendo para que la capa de óxido se compacte e impermeabilice.

42 RECUBRIMIENTOS NO METÁLICOS I:
Pinturas y barnices: El recubrimiento con pinturas es más empleado. La capacidad protectora de la pintura depende de su adherencia. Las pinturas están formadas por: aglomerante, pigmentos, disolvente y otros aditivos: La naturaleza del aglomerante determina el tiempo de secado Los pigmentos aportan los agentes colorantes estables. El disolvente homogeneiza la mezcla Los barnices o lacas se utilizan como protección adicional. Son soluciones de celulosa y no suelen contener pigmentos.

43 RECUBRIMIENTOS NO METÁLICOS II:
Plásticos: Muy resistentes a la oxidación, no conducen la electricidad y suelen ser muy flexibles. Poco resistentes al calor. El PVC es el más empleado sobre todo en chapas de acero. Esmaltes y cerámicas: Son anticorrosivos, resistentes a las altas temperatura y a la abrasión por lo que se emplean para revestir partes de motores térmicos. Se emplean diferentes materiales en su obtención: óxidos de carácter ácido, fundentes de carácter básico, agentes estabilizadores y los óxidos metálicos.

44 RECUBRIMIENTOS METÁLICOS I:
Electro deposición: Procedimiento electrolítico consistente en conectar el objeto al cátodo. La cuba electrolítica tiene forma de tambor giratorio. El electrolito suele ser una disolución de sales de aluminio, magensio o titanio. Diferentes modalidades según tipo, forma y reactividad del material base: Tipo. Si las piezas son de material no conductor se han de recubrir con material conductor. Forma. Si las piezas son pequeñas se dejan sueltas, si son grandes se fijan. Reactividad. En la mayor parte el electrolito es una solución acuosa, excepto para aquellos que reaccionan con el oxígeno del agua. Se emplea CC a una tensión de 100V. La intensidad puede llegar a 10000A y se necesita refrigeración.

45 RECUBRIMIENTOS METÁLICOS II:
Electroforesis: Procedimiento electrolítico en el que las partículas cargadas se desplazan por atracción electrostática. Se emplea por tanto en metales y en no metales. Es necesario un tratamiento posterior para darle adherencia y resistencia mecánica. Se emplea CC con tensiones inferiores a 20V e intensidades no superiores a 1 A/dm2. Además, se emplean sustancias no tóxicas y no inflamables. Esto ha hecho que tengan múltiples aplicaciones en recubrimientos orgánicos y, sobre todo, en procesos industriales de pintado de metales.

46 Externa: del metal de recubrimiento puro.
RECUBRIMIENTOS METÁLICOS III: Inmersión en caliente: Proceso físico-químico. Se introduce el material base en estado sólido en un baño de metal fundido. Se utiliza para recubrimiento con materiales de bajo punto de fusión. Se ha de limpiar y decapar previamente la pieza para garantizar una buena adherencia. El espesor del recubrimiento determina la calidad. Se distinguen tres capas: Externa: del metal de recubrimiento puro. Intermedia: series de aleaciones del metal de recubrimiento y el metal base en distintas proporciones. Interna: constituida por el metal base. Los metales más usados para recubrimiento son el estaño, el cinc, el aluminio y el plomo.

47 RECUBRIMIENTOS METÁLICOS IV:
Difusión o cementado: Procedimiento termoquímico a altas temperaturas (400ºC – 2500ºC). No emplea energía eléctrica. Se forma una aleación superficial. Los elementos más empleados en difusión son el carbono y el nitrógeno que confieren al hierro dureza y resistencia a la abrasión, aunque no lo protegen de corrosión. El cromo, boro, aluminio y el cinc si protegen de la corrosión. Protección catódica: Método empleado para proteger construcciones metálicas en contacto con medios acuosos o a la intemperie. Se conecta al metal a una corriente que se oponga a la fuga de electrones de lo corrosión. Inhibidores de la corrosión: Sustancias que se añaden en pequeña cantidad a los medios corrosivos para reducir la velocidad de corrosión.

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