estructura atómica y cristalina - Bienvenidos al IES Julio Verne

estructura atómica y cristalina - Bienvenidos al IES Julio Verne

Propiedades mecánicas y
ensayos de medida.
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EL ÁTOMO
FUERZAS Y ENERGÍAS DE INTERACCIÓN ENTRE ÁTOMOS
TIPOS DE ENLACES ATÓMICOS Y MOLECULARES
1.
Enlace iónico
2.
Enlace covalente:.
3.
Enlaces secundarios:
ESTRUCTURA CRISTALINA. SISTEMAS CRISTALINOS. ALOTROPIA
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE ENSAYOS
ENSAYO DE TRACCIÓN. LEY DE HOOKE .TENSIONES MÁXIMAS DE
TRABAJO
ENSAYOS DE DUREZA
1.
ENSAYO BRINELL
2.
ENSAYO VICKERS
3.
ENSAYO ROCKWELL
ENSAYO DINÁMICO POR CHOQUE. ENSAYO DE RESILIENCIA.
ENSAYOS DE FATIGA
ENSAYOS TECNOLÓGICOS
Bohr
•
•
Núcleo: protones (z= nº atómico) +
neutrones.
Corteza: electrones colocados en niveles
energéticos  saltos energéticos.
– Isótopos: mismo nº de protones
– Isótonos: mismo nº de neutrones
– Isóbaros: mismo nº másico.
Orbital atómico: Región en el espacio
atómico donde se encuentra un electrón
con un determinado número cuántico.
También se asocia con un determinado
nivel energético.
Electrones de valencia: Son los que
forman parte de un enlace químico,
principalmente los de la última capa:
Estado fundamental: Estado cuántico de
más baja energía.
Nivel o capa electrónica: Grupo de
electrones con el mismo número
cuántico principal.
Thomson
Schrodinger
Entre los átomos existen:
• Fuerzas atractivas:
– Naturaleza del enlace
– Atracción entre el núcleo y la nube
electrónica del otro átomo.
• Fuerzas repulsivas:
– Entre núcleos
– Nubes electrónicas entre sí.
• Energía de enlace: energía recesaría
para destruir el enlace  indicador la
temperatura de fusión.
• Electronegatividad: Capacidad de un
átomo para atraer electrones hacia sí.
• Elementos electropositivos
metálicos, ceden electrones. Grupos
1A y 2A.
• Elementos electronegativos No
metálicos, aceptan electrones. Grupos
6A y 7 A .
Enlace iónico: Metal + no metal con
transferencia de electrones.
• Fuerzas de carácter electrostático.
Energías de enlace altas
temperaturas de fusión altas.
• Son materiales duros y frágiles,
aislantes eléctricos y térmicos,
aunque cuando están en disolución
son conductores.
Enlace covalente: Compartición de los
electrones externos entre átomos
con electronegatividades parecidas.
– Pueden ser sencillos y múltiples
– Pueden ser fuertes (diamante) o débiles
(polímeros).
– Enlace covalente para el carbono
hibridación orbítales híbridos sp3
Enlace metálico: Átomos ordenados sistemáticamente
formando una estructura cristalina y los electrones
de valencia forman una nube electrónica alrededor.
 Alta conductividad térmica y eléctrica. Pueden ser
deformados sin fracturarse.
Las energías de enlace y los puntos de fusión de los
diferentes metales varían mucho. En general, a
menor número de electrones de valencia por átomo
implicados en el enlace más metálico resulta éste.
Enlaces secundarios:
•
Fuerzas de Van der Waals  debidas a la
aparición de dipolos, fuerzas relativamente débiles.
– Polarización: Átomos diferentes, uno de ellos
con más afinidad por los e-  dipolo eléctrico.
– Efectos de dispersión: átomos iguales, debido
al movimiento de los ePuentes de hidrogeno: Se deben a la atracción
entre el núcleo de H y los electrones no
compartidos del O, F o N. Su enlace es más
fuerte que el formado por las fuerzas de Van
der Waals.  dipolos permanentes
Los enlaces por puente de hidrógeno
son los responsables de la estructura
del hielo. Cada molécula de agua se
rodea de cuatro construyendo una
estructura voluminosa, que hace que
el hielo sea menos denso que el agua
líquida.
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•
•
ESTRUCTURA CRISTALINA:
Distribución espacial que se repite,
celdas unitarias que se repiten en los
metales, aleaciones y determinados
materiales cerámicos.
SISTEMAS CRISTALINOS .
Dependiendo del valor de los vectores
reticulares y de los ángulos interaxiales
nos podemos encontrar 7 sistemas
cristalinos y catorce retículos
espaciales Redes de Bravais.
Casi todos los metales cristalizan en:
BCC, FCC y HCP.
ALOTROPIA : Dependiendo de las
condiciones de presión y temperatura
un mismo elemento puede presentar
diferentes estructuras cristalinas
estados polimorfitos o alotrópicos.
Relación entre
constantes en las
estructuras
cristalinas
Índice de coordinación (i)
: Representa el
número de átomos
que rodea cada
átomo.
Factor de empaque
(F.P.A) : Representa
la relación entre el
volumen de los
átomos que hay en la
celda unidad y el
volumen de la celda
unidad. Nos
proporciona una idea
del volumen ocupado
y libre.
Densidad volumétrica
(ρv) : Representa la
relación entre la masa
de la celda unidad y el
volumen de la celda
unidad.
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ELASTICIDAD: Capacidad que tienen algunos
materiales para recuperar su forma una vez
que ha desaparecido la fuerza que los
deforma.
PLASTICIDAD: Capacidad de un material
para conservar la nueva forma una vez
deformado.
DUCTILIDAD: Capacidad de un material para
estirarse en hilos.
MALEABILIDAD: Capacidad de un material
para extenderse en láminas.
DUREZA: Oposición que ofrece un cuerpo a
dejarse rayar.
FRAGILIDAD: Capacidad de un cuerpo de
romperse sin apenas deformación.
TENACIDAD: Resistencia que opone un
cuerpo a choques o esfuerzos bruscos.
FATIGA: Deformación de un material sometido
a cargas variables, inferiores a la de rotura,
cuando actúan un cierto tiempo o número de
veces determinado.
RESILENCIA: energía absorbida en una
rotura por impacto.
•
Atendiendo a la rigurosidad
– Ensayos técnicos de control : Se realizan
durante el proceso productivo
– Ensayos científicos: Para investigar
características técnicas de nuevos
materiales.
•
Atendiendo a la forma de realizar los
ensayos
– Ensayos destructivos: Los materiales ven
alteradas su forma y presentación inicial.
– Ensayos no destructivos
•
Atendiendo a los métodos empleados
– Ensayos químicos: Composición química y
comportamiento ante los agentes químicos.
– Ensayos metalográficos: Estructura interna
del material.
– Ensayos físico y físico-químicos:
Determinaremos las propiedades físicas.
– Ensayos mecánicos: Características
elásticas y de resistencia de los materiales.
Ensayo de tracción: Aplicamos una fuerza de
tracción a un material midiendo esta fuerza
y su deformación. Siendo el esfuerzo (σ) la
fuerza aplicada por unidad de superficie, y
la deformación el cambio de longitud por
unidad de longitud inicial del material:
(l  l0 )
F



l0
N/m2
S
Al registrar estos datos obtenemos una curva
que nos indica las características del
material.
Obteniendo los siguientes puntos y tramos principales:
•
Zona elástica OB: el material vuelve a las
dimensiones originales cuando cesa el esfuerzo.
– Zona de proporcionalidad OA: La tensión
es proporcional a la deformación. Se cumple
la Ley de HOOKE.
– Módulo de elasticidad ( E) es la pendiente
de la recta esfuerzo-deformación en la zona
elástica. Se calcula dividiendo el esfuerzo
aplicado entre la deformación producida.
.

E

–
Zona no proporcional AB: El material
se comporta de forma elástica, pero
las deformaciones y las tensiones no
están relacionadas linealmente. No
es una zona aconsejable para
trabajar.

Límite elástico B: Es el esfuerzo
máximo por encima del cual comienza la
deformación plástica.
 Zona plástica BE: el material no
recupera las dimensiones originales
 Zona de fluencia BC: Zona dónde
aparece un alargamiento sin que
aumente la tensión aplicada.
 Punto de ruptura en el esfuerzo
necesario para producir la ruptura del
material.
 Resistencia máxima a la tensión: es el
máximo esfuerzo aplicado sobre el
material.
Tensión máxima de trabajo σt: límite de
carga al que podemos someter una pieza.
t 
f
n
t 
r
n
http://classroom.materials.ac.uk/flash/tensile.swf
•
•
•
•
Se basan en un penetrador que es forzado
sobre la superficie del material a ensayar.
La medida tiene un significado relativo. Es
necesario tener precaución al comparar las
durezas obtenidas por técnicas distintas.
ENSAYO BRINELL
– Bola de acero templado de un
diámetro determinado contra el
material a ensayar, por medio de una
carga (F) y durante un tiempo
determinado.
– Midiendo el diámetro de la huella
calculamos la dureza en función de la
fuerza aplicada.
Generalmente se calcula por tablas. El
diámetro de la huella suele estar entre D/4
y D/2. Las cargas suelen ser proporcionales
al cuadrado del diámetro.
No es recomendable para durezas
superiores a 500 HB ni en piezas de poco
espesor.
HB 
 D
2

F
 D D d
2
2

http://www.steeluniversity.org/content/html/spa/default.asp?catid=149&pageid
=2081271516
• Dureza Vickers: El penetrador
es una pirámide regular de base
cuadrada cuyas caras laterales
forman un ángulo de 136º.
• Se calcula mediante la
superficie lateral de la huella:
• HV = F/S.
• - Se emplea para durezas
superiores a 500 HB. La ventaja
es que se puede utilizar con
espesores muy pequeños (hasta
0,05 mm) y con materiales duros
y blandos. Las cargas que se
utilizan son pequeñas (aprox. 30
Kg).
HV  1,8543
F
d2
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3.
Ensayo Rockwell (UNE 7-424-89)
HRB: para materiales blandos (durezas menores que 200)
el penetrador es una bola de acero de diámetro 1.5875 mm.
HRC: para materiales duros (durezas mayores que 200) el
penetrador es un cono de diamante de 120º en la punta.
Se mide la dureza en función de la profundidad de la huella.
Es rápido y sencillo, pero menos preciso que los anteriores.
Se utiliza en lugar del Brinell para medir la dureza de aceros
templados.
Normas:
Se aplica al penetrador una carga de 10 kg durante un
tiempo determinado. Esta carga provocara una huella de
profundidad h1 .
Después, dependiendo de la dureza del material, se
añade la carga adicional que puede ser de 60, 100 o 150
kg. La profundidad de la huella alcanza entonces del valor
h2.
Al retirar la carga adicional, el penetrador retrocede por la
recuperación elástica del material. La huella adquiere
una profundidad: e = h1 - h2.
HRB  130  e
HRC  100  e
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El objetivo del ensayo es conocer la energía que
puede absorber un material al recibir un choque o
impacto sin llegar a romperse de un solo golpe.
La máquina más utilizada es el péndulo de
Charpy, que consta de un brazo giratorio con una
maza en su extremo, que se hace incidir sobre la
probeta provocando su rotura. Las probetas están
normalizadas, tienen una sección cuadrada y en el
punto medio están entalladas en forma de U o de
V.
El péndulo de masa m se encuentra a una altura
inicial H, por lo que tiene una determinada energía
potencial antes de iniciar el ensayo. Al liberar el
péndulo, golpea la probeta y la rompe,
continuando con su giro hasta alcanzar una altura
final h con una nueva energía potencial. La
energía que ha absorbido la probeta durante su
rotura será la diferencia de energías potenciales
inicial y final.
La resiliencia se obtiene de la siguiente forma:
https://polimedia.upv.es/visor/?id=580d845d-ad7c-d84a-be8b66042d456fab
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La fatiga es la disminución de la resistencia a la rotura de un
material elástico sometido a tensiones variables. Para que la
rotura no tenga lugar, es necesario conocer el límite de fatiga
(diferencia entre la carga máxima y mínima).
El estudio de la fatiga de los materiales es realmente
complicado, y provoca un elevado número de roturas de piezas
industriales que han sido fabricadas con materiales férricos.
Otra de las características del fallo por fatiga y que lo hace
especialmente peligroso es que aparece de una forma
inmediata, "sin avisar".
Ejemplos de fallo por fatiga los tenemos en máquinas rotativas,
tornillos, vehículos, puentes, plataformas marítimas, barcos,
alas de aviones, ruedas de ferrocarril y otros productos de
consumo.
La rotura presenta dos zonas: una de grano fino mate, que
parece un defecto, y otra de grano grueso brillante, que indica
la rotura final.
Existe un valor de ΔσF por debajo del cual no se produce
rotura por fatiga. Es el limite de fatiga. La carga de fatiga es
repetitiva (cíclica) y posee un valor máximo y mínimo en cada
ciclo. Pues bien, la diferencia entre ambos valores (ΔσF) es el
limite de fatiga, independientemente del numero de veces que
se repite la acción.
https://polimedia.upv.es/visor/?id=e221002d-686cEn el grafico, se observa uno de los ciclos de los esfuerzos
variables a los que esta sujeto e material
4040-b1d0-64ad1cae3b0f
Sirven para estudiar el comportamiento de un material para un aplicación industrial
determinada. Hay de muchos tipos:
•
Ensayo de plegado.- sirve para estudiar la plasticidad de los materiales metálicos.
Se doblan las probetas (prismáticas de sección rectangular) en condiciones
normalizadas y se observa si aparecen grietas en la parte exterior de la curva. Se
puede realizar en frío y en caliente.
•
Ensayo de embutición.- sirve para conocer la facilidad de las planchas para
deformarse por embutición. Se presiona un vástago sobre la chapa hasta que se
produce la primera grieta y se mide la penetración de éste.
•
Ensayo de punzamiento.- determina la resistencia al corte de las chapas metálicas.
Se utiliza un punzón de acero templado y se mide por la fuerza aplicada y el diámetro
de éste.
•
Ensayo de soldabilidad.- estudia las dilataciones, las contracciones, los puntos y la
velocidad de fusión de los materiales soldables.
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS Tienen por objeto descubrir y localizar defectos en la
superficie o en el interior de los materiales. También sirven par revisar piezas que
están en servicio. Hay de muchos tipos:
•
Ensayos magnéticos.- sólo se utiliza con materiales ferromagnéticos.
•
Ensayos eléctricos.- se basan en el aumento de la resistencia eléctrica por las
impurezas.
•
Ensayos con rayos X.- se basan en hacer incidir un rayo X sobre el objeto y colocar
un placa fotográfica bajo éste para ver su impresión.
•
Ensayos por ultrasonidos.- se basan en que una onda ultrasónica, al propagarse por
un material, se manifiesta cuando encuentra la mínima fisura o defecto.
ENSAYOS FISICOQUÍMICOS
•
Consiste en un examen metalográfico que se puede hacer de dos formas:
macroscópico (sirve para conocer la distribución general de las inclusiones) o
microscópico (determina la medida, la estructura y las dimensiones de las
segregaciones).