naturaleza de los materiales

LA NATURALEZADE LOS

MATERIALES

Manufactura : Transformación

Estructura átomica de la materia

Enlaces entre átomos y moléculas

Como los átomos y moléculas se organizan formando estructuras

Gases nobles

En la organización de la tabla, reconocemos:- Los elementos se ordenan horizontalmente de manera periódica aumentando de a 1 el Nºatómico.- Elementos se agrupan en familias

- Diferencias y similitudes de las propiedades físicas y químicas.- Columnas: semejanzas- A medida que descendemos en los grupos ciertas propiedades químicas aumentan o disminuyen.

- Metales / No metales / Zona de transición

Fe (Hierro): sólidoHg (mercurio) líquidoO2 (oxígeno) gaseoso

- Las diferencias y similitudes serán explicadas a partir de entender como es la estructura atómica

Grupo de Metales preciososEj: pto de fusionconductividad

Halógenos

Núcleo:Protones

+ Neutrones

Orbitales:Electrones

Nº atómico (nºprotones)

LOS ELEMENTOS

+ Pesodisminuye la tendencia a oxidarse

En el último orbital (de valencia) posee = nº de è

Grupos

Niquel

estaño

titanio cobre

plomoZinc

Cristales (Sales-Oxidos) Menas

- ¿Cuales son las caracterìsticas y propiedades de los materiales que determinan su capacidad para transformarse a través de procesos diferentes? (fuerzas, temperaturas y otros parámetros físicos)MATERIA: -Unidad estructural el ATOMO-Electrones de Valencia: Nº de electrones de la capa u órbita mas externa al núcleo.

Estrucura atómica y los elementos.

Protones (+) = electrones (-)

Nº Atómico

Helio y Neón muy establesFluor es atraíble Sodio

Orbitales: son niveles energéticos.

Los elementos tienden a llegar a la configuración del gas noble mas cercano perdiendo o ganando electrones.

Molecula


-Al combinarse átomos se forman moléculas (O2).-Los diferentes tipos de enlaces dependen del electrón de valencia

Enlaces primarios (+fuertes) -Iónico -Covalente -Metálico

- Hay transferencia de electrones- Los átomos entregan su/s electrón/es exterior/es y atraen a otro átomode otro elemento para incrementar a 8 el numero de electrones de su última capa.- Una vez completos los orbitales no hay electrones que quieran reaccionar- Se dá entre metales y no metales (grupos alejados en la tabla)

BAJA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA Y DEFICIENTE DUCTILIDAD

Atracciones fuertes de átomos que involucran el intercambio de electrones de valencia

Sal (Cl Na)

- Comparten electrones en las capas mas externas a fin de lograr un conjunto mas estable (ideal 8)- Se forma un orbital de enlace

Estructura tridimensional muy rígida. Nuevo orbital de energía (enlace)Gran dureza y conductividad eléctrica baja.





- Metales puros y sus aleaciones- Los átomos de los elementos metalicos tienen pocos elec. en sus órbitas externas- Se comparten electrones pero no átomo con átomo.- Dado un bloque de metal, los electrones de la ultima capa se comparten è por medio de todos los átomos para formar una nube de electrones que abarca a todo el bloque- La nube proporciona las fuerzas necesarias para mantener ligado a los átomos y formar una estructura rígida y fuerte.-Libertad de los electrones de moverse dentro del metal.

-Cuando esta manera de compartir electrones se hace entre átomos vecino, la buena conductividadno se dá (ejemplo Aluminio que tiene unión covalente)

BUENA CONDUCTIVIDAD ELECTRICA Y TÉRMICABUENA DUCTILIDAD






- Molécula formada por 2 átomos con carga eléctrica igual y opuesta.- Cada molécula individual forma un dipolo (se agrupa direccionalmente la carga)- Eléctricamente la molécula queda balanceada (neutro).- Dependiendo de la orientación del dipolo de la molécula atraerá a otra molécula.

Enlaces secundarios -Fuerzas dipolares -Fuerzas de London -Enlace de hidrógeno


No involucran fuerzas de atracción entre átomos sino entre moléculasNo hay intercambio de elect. (son mas débiles)

al perder electronesqueda positivo

al ganar un electronequeda negativo


- Atracción entre moléculas no polares: No se forman dipolos- Debido al rápido movimiento de los electrones en la orbita alrededor de la molécula, cuando quedanposicionados se forman dipolos temporales.


Enlaces entre átomos y moléculas-Al combinarse átomos se forman moléculas (O2).-Los diferentes tipos de enlaces dependen del electrón de valencia




-Sucede en moléculas con átomos de H ligados de forma covalente con otro átomo.- Son muy fuertes porque la estructura molecular hace que los è queden sectorizados en el espacio. - Ej: POLIMEROS

O

H H

O

H H

H2O Hg+

-


H2O

+ -

Enlaces entre átomos y moléculas-Al combinarse átomos se forman moléculas (O2).-Los diferentes tipos de enlaces dependen del electrón de valencia




Estructuras no cristalinas AMORFAS

VIDRIOPOLIMEROS

CAUCHO

Estructuras CRISTALINAS

METALESCERÁMICASPOLIMEROS

Estructuras cristalinas

-Cuando un material solidifica a patir de un estado de fusión o líquido (ej procesos de fundición) tiende a compactarse y comprimirse. - A veces estos sucede en una estructura ordenada y otras veces no.- Es característico en metales, cerámicas y polímeros.- Estructura cristalina:

-Los átomos se localizan en posiciones regulares y ordenadas tridimensionalmente.

-Se configura un Patrón: CELDA UNITARIA (agrupamiento geométrico básico que se repite de los átomos).

cerámicasMetales Polímeros

½

+ -

La deformación en cristales metálicos

Direcciones de deslizamiento

Esfuerzos dedeformación

Estructura cistalina de los metales a temperatura ambiente

Cromo (Cr)Hierro (Fe)Molibdeno (Mo)Tantalio (Ta)Tungsteno (W)

Aluminio (Al)Cobre (Cu)Oro (Au)Plomo (Pb)Plata (Ag)Niquel (Ni)

Magnesio (Mg)Titanio (Ti)Zinc (Zn)

½

+-

Cúbica centrada en las caras

Cúbica centrada en el centro

Hexagonal de empaque-tamiento compacto

A temperaturas elevadas las tres estructurasse hacen mas ductilies


Celda unitaria Grano

En un bloque dado de metal hay millones de cristales individuales ordenados: GRANOS- Cada uno tiene una orientación de red única.- En forma colectiva se orientan aleatoriamente dentro del bloque. (estructura POLICRISTALINA)


Imperfecciones en cristales

- Cuando el material interrumpe la repetición ordenada de la celda unitaria.- A veces se generan imperfecciones intencionalmente durante el proceso de manufactura. Aleación.- Son desviaciones en el patrón regular de la estructura de red cristalina.Ejemplo:Limite de grano de los metales *Aleaciones para mejorar las propiedades de un metal.

1- Defectos puntuales 2- Defectos lineales3- Defectos superficiales

- Involucran 1 solo átomo de la estructura o varios de ellos



- Cuando el material interrumpe la repetición ordenada de la celda unitaria.- A veces se generan imperfecciones intencionalmente durante el proceso de manufactura

Ejemplo:Limite de grano de los metales *Aleaciones para mejorar las propiedades de un metal.

- Es un grupo conectado de defectos puntuales que forman una línea en la estructura de red.1- Defectos puntuales 2- Defectos lineales3- Defectos superficiales

Dislocaciones



- Cuando el material interrumpe la repetición ordenada de la celda unitaria.- A veces se generan imperfecciones intencionalmente durante el proceso de manufactura

Ejemplo:Limite de grano de los metales *Aleaciones para mejorar las propiedades de un metal.

- Imperfecciones que se extienden en dos direcciones para formar una frontera- Ej: límites de gano*

1- Defectos puntuales 2- Defectos lineales3- Defectos superficiales

Surgen durante la solididficación

Ante un bloque liquido de metal:

-Partimos de millones de celdas unitarias aleatoriamente organizas en el líquido.

-Cuando el bloque se enfría y comienza a solidificarse ocurre la formación de núcleos de cristales individuales en posiciones y orientaciones aleatorias a través del líquido -Durante un tiempo corto crecen hasta interferir unos con otros, generando un defecto superficial (límite de grano).

-Esta interferencia genera una zona de transición, quizá con espesor de unos pocos átomos, en la que los átomos no están alineados con ningún grano.

Granos y límete de granos:

limite de grano Grano

Estructura característica de los granos en un fundido de metal puro,en la que se ilustran los granos de tamaño pequeño orientados al azar cerca de la pared del molde, y granos grandes alargados orientados hacia el centro fundido.

- En el proceso de fundición, la formación de núcleos es frecuente que se generen por las paredes frías del molde.

Tamaño de granos:- depende del número de formaciones de límite de granos (a + formaciones de límites + número de granos)- tiene relación inversa con la rapidez de enfriamiento (enfriamiento mas rápido=grano menor)- tiene importancia, ya que afecta las propiedades mecánicas (menor tamaño=mejora resistencia /mejora la ductilidad en la deformación y la superficie en la terminación) Los límites de granos - representan imperfecciones en la estructura cristalina que interrumpen el movimiento continuo de las dislocaciones- influyen en las propiedades mecánicas.- a menor tamaño de granos (por lo tanto mas cantidad de granos y de sus límites) incrementa la resistencia del metal.- contribuyen a que, a medida que se deforme el metal se haga mas fuerte.

Granos y límete de granos:

Enfriado enH2O

Enfriado a temp. ambiente Enfriado en aceite

limite de grano

- Cuando un cristal se somete a fuerzas mecánicas que se incrementan gradualmente su respuesta inicial es deformarse de modo elástico.

- Deformación elástica: alargamiento de la estructura de red sin que haya cambios en la posición de los átomos de la red.

Si se elimina la fuerza la red vuelve a su estado original.


-Deformación plástica: Si el esfuerzo supera el nivel elástico (valor alto en relación con las fuerzas electrostáticas que mantienen a los átomos) se produce un cambio permanente en la forma.- Se establece un nuevo equilibrio en la red.

- Deformación elástica:


Deslizamiento- Implica el movimiento de los átomos en los lados opuestos de un plano de red. -No ocurre simultáneamente en todos los átomos (distorsión progresiva / requiere menos energía)-El plano de deslizamiento debe estar alineado a la estructura de red.-El Nº de direcciones de deslizamiento dependerá del tipo de red


Dislocación

-Hay ciertas direcciones preferentes por las cuales es mas probable que ocurra el deslizamiento (ej: dislocaciones)- En las dislocaciones se requiere menos energía y los desplazamientos son menores que en las zonas ordenadas- Representan una situación benéfica y perjudicial. - Debido a ellas el material es mas dúctil y alcanza fácilmente la deformación plástica; pero no es tan fuerte como si no las tuviera.

Estructuras no cristalinas AMORFASEj: líquidos y gases.Un metal pierde su estructura cristalina cuando se funde.Materiales no cristalinos en estado sólido: AMORFOS ej: Vidrio, Plásticos y caucho.

Se diferencian de los materiales cristalinos por:- Ausencia de orden en la estructura molecular

- Diferencias entre las características de fusión y expansión térmica

Cambio característico de volumen para una estructura cristalina(ej.metal puro),

en comparación con los mismos cambios voluméttricos del vidrio (estructura no cristalina)

Estructuras no cristalinas AMORFAS

Expansión / ContracciónTérmica diferentespendientes

Si la velocidad de enfriamiento es baja la sustancia cristalizará a la temp. de fusión

Estructuras no cristalinas AMORFASIntervalo de Transformación

- VISCOCIDAD: Fuerza que se opone al libre movimiento de una capa con respecto a otra adyacente.

- Cuanto menor es la velocidad de enfriamiento menor es el valor Tg- Los valores de la viscocidad a distintas temperaturas determinan las caracteristicas de la operaciones y los equipos.

Si la velocidad de enfriamiento es alta lasustancia no cristalizará.

Aumento de viscocidad

Temp. de transición vítrea

Metales

Polímeros

Cerámicos

CompuestosMetal-Cerámicos

CompuestosMetal-Polímeros

CompuestosCerámicos-Polímeros

Vidrios

MADERAS

EnlacesEstructuraPropiedades

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