Enlace químico

Química. Estructura electronica y reactividad. Oscilantes. Estado sólido. Propiedades eléctricas, magnéticas y térmicas. Materiales metálicos

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2-EL ENLACE QUIMICO

2.1-Estructura electronica y reactividad quimica:

Los gases nobles son los elem + estables y - reactivos ya que todos,-

el He,tienen una configuracion externa s2p6.

Los elem electro+ son metalicos y ceden e- en las reacciones para

formar cationes.Grupos 1A y 2A.

Los elem electro- son no metalicos y captan e- en las reacciones para

formar aniones.Grupos 6A y 7A.

La electro-ividad muestra la capacidad de un atomo de atraer hacia si

a los e- de enlace.

2.2-Tipos de enlaces atomicos y moleculares:

El enlace atomico se da siempre que conlleva una disminucion en la e

neta de los ats enlazados.Los enlaces ats primarios son el ionico,

covalente y metalico.Los enlaces secundarios(ats y molec)son los de

dipolo oscilante y los de dipolo permanentes.

2.3-Ionico(+fuerte):

Se da entre elem con electro-ividades muy distintas mediante la trans

de e- del electro+ al -,creandose asi iones de signo opuesto que se

unen debido a fuerzas electrostaticas.

La distancia interionica para la que estas fuerzas se compensan y la

energia es minima coincide con la suma de los radios ionicos.

Como los ats pueden considerarse esfericos y la interaccion electrostat

no tiene dirs preferentes este enlace es no direccional.

Los factores de estab en este enlace son el no. de coor(cationes/anion)

y la neutralidad electrica del solido ionico.

2.4-Metalico:

Se da en los metales solidos.Los ats estan tan juntos que sus e- de

valencia son atraidos por los vecinos y forman una nube e-ica.

Los e- pueden desplazarse dentro de la nube lo que explica caracterist

de los metales como su conductiv,maleabilidad,etc...

2.5-Covalente(-fuerte):

Entre ats bastante parecidos en electro-ividad por compart de uno o mas

e- de las capas + externas con el fin de alcanzar config de gas noble.

El enlace covalente del C-Formaria un enlace doble pero a veces forma

uno cuadruple como en el diamante.

Es direccional.

2.6-Oscilantes(ats):

Debidos a la distrib asimet de la carga lo que crea dipolos.La densidad

de carga en una zona del at oscila lo que hace que sea no direccional.

2.7-Permanentes(molecs):

Entre molecs covalentes con dipolos electricos permanentes.Puentes de H

TEMA3-ESTADOS DE AGREGACION DE LA MATERIA

3.1-Teoria cinetica de los gases:

Masas de caracter puntual,no hay fuerzas ni interacciones entre

las particulas del gas,los choques son elasticos,el movimiento es rectilineo y al azar y la distribucion de v es siempre igual para unas determinadas condiciones de p y t.Ver ecuaciones de estado para gas ideal y gas real.

3.2-Teoria cinetica de los liquidos:

Movimiento al azar pero mas despacio que en un gas,v dependiente

de t,distribucion de las moleculas es de Maxwell.Esta teoria nos permite explicar la viscosidad(facilidad para fluir dependiendo de las fuerzas de atraccion entre moleculas),la tension superficial,la presion de vapor(equilibrio que se establece entre las moleculas que pasan a gas desde el liquido y viceversa ver ecuacion Clausius-Clapeyron),el calor especifico(energia que hay que suministrar a una sustancia para que aumente su t en un 1C).

3.3-Cambios de estado:ver ecuaciones de cambio de estado.

3.4-Diagramas de fase:

Una fase de un material es un estado cuyas propiedades fisicas y quimicas son siempre las mismas.Un diagrama de fases es una representacion grafica a varias t,p y composiciones de las fases que estan presentes en un determinado sistema.En estos diagramas se cumple la regla de Gibbs F+L=C+2.

TEMA4-EL ESTADO SOLIDO

4.1-Solidos cristalinos y amorfos:

Uno cristalino se caracteriza porque sus ats o iones estan ordenados

segun una disposicion que se repite en las 3D.Tienen un pto de fusion

determinado y son anisotropos.

Los amorfos no tienen los ats dispuestos segun ninguna distrib regular

,no funden a una temp fija si no que se van reblandeciendo y son

isotropos.

4.2-Redes espaciales y celdillas unidad:

La disposicion de los ats en un cristal se puede representar

considerandolos en las intersecc de una red de lineas 3D denominada

red espacial.

La min unidad de esta red espacial que se repite en todo el espacio se

denomina celda unidad y puede describirse mediante 3 vectores abc y 3

angulos axiales alfa,beta,gamma.

4.3-Sist cristalinos y redes de Bravais:

Combinando las ctes reticulares se definen 7 sists que describen todas

las redes posibles.

Atendiendo a la posicion de los ats en estos sists aparecen las 14

redes que se basan en 4 tipos de celda unidad(simple,centrada en el

cuerpo,en las caras y en las bases).

4.4-BCC:

2 ats por celda,sq(3)*a=4*R,APF=68pc.No es compacta.

4.5-FCC:

4 ats por celda,sq(2)*a=4*R,APF=74pc.La + compacta.

4.6-HCP:

6 ats por celda,c/a=1.633,APF=74pc.Es compacta.

4.7-Indices de Miller para planos en sist cubico:

Son los inversos de las intersecciones fraccionales de los planos

generados por los 3 ejes y las 3 aristas no paralelas de la celdilla

unidad cubica.Se escriben entre ().

4.8-Planos compactos:

Son (111) para FCC y (0001) para HCP,tienen igual orden de empaquet

pero dan lugar a estrucs ABC y AB respectivamente.

4.9-Polimorfismo o alotropia:

Muchos elems y compuestos existen en mas de una estruc cristalina bajo diferentes condiciones de temp y presion,este fenomeno se llama polimorfismo.Muchos metales de importancia industrial como Fe,Ti,Co sufren transformaciones alotropicas a altas t a presion atmosferica.

4.10-Defectos de la estructura cristalina:

Estos defectos afectan a suspropiedadesfisicas, mecanicas,etc.Se clasifican segun su geometria y forma en los siguientes tipos.

De orden atomico.

Defectos puntuales como vacantes,impurezas,sustitucionales e intersticiales.

Defectos lineales como los de cuña en los que se añade un plano de ats o helicoidales que producen un esfuerzo de cizalla.

Defectos superficiales macroscopicos como poros,grietas o limites de grano.

4.11-Soluciones solidas y compuestos intermetalicos:

Una aleacion es una mezcla de dos o mas metales o un metal y un no metal que persigue conseguir mejores propiedades del metal mayoritario de la mezcla.La solucion solida es la clase de aleacion mas sencilla y se define como un solido que consta de dos o mas elems que estan dispersados atomicamente formando una unica estruc.Existen dos tipos que son las sustitucionales y las intersticiales.

En los compuestos intermetalicos las caracteristicas se asemejan mas a las de un ceramico que a las de un metal.Se trata por ejemplo de en una molecula de NaCl sustituir el Na por un metal y el Cl por otro.

Las superredes son soluciones solidas pero ordenadas.

TEMA 5-PROP MECANICAS:

5.1-Elastico-plastico:

Si cuando la fuerza cesa la muestra vuelve a sus dimensiones originales hablamos de una deformacion elastica pero si no se recupera tenemos deform plastica.

La tension se define para un ensayo de traccion como la fuerza uniaxial entre la seccion y la deformacion como el alargamiento entre la longitud original.

5.2-Diagramas tens-deform:

De ellos se pueden extraer el modulo de Young,lim elast,resist max a tens,alargamiento de rotura,resiliencia(area bajo la zona elastica),tenacidad.

Hay que diferenciar entre tension y tension real ya que el area que hay en el cociente disminuye a medida que avanza el ensayo.

5.3-Ensayos de dureza:

La dureza es una medida de la resistencia a la deform plastica.

Brinell(bolas de acero de herram,carga variable,se mide el diam

de la huella esferica en el material,no sirve para maters + duros que el acero y a veces se usa carburo de wolframio).

Vickers(piramide de diamante,carga del orden de 5 kg,se evalua la diagonal media de la huella,muy usado en ceramicos).

Rockwell(bola de acero o cono de diamante,carga muy variable).

Las precauciones a tomar en un ensayo de dureza son la muestra debe ser plana,se deben hacer varias medidas,no se puede cambiar entre escalas de dureza.

La dureza de polimeros se mide por rebote o shore.

5.4-Resistencia al impacto:

Evalua la tenacidad del material,la energia que puede absorber antes de fracturar.

Si la muestra esta vertical es Izod(polimeros) y si esta horiz es Charpy(metales).

Hay tres tipos de entalla que son en v,cuadrada y semicircular.

Estos ensayos relizados a diferentes temperaturas determinan la t de transicion ductil-fragil.

5.5-Fatiga:

Los ensayos de fatiga son en los que hay esfuerzos ciclicos.

En los diagramas SN se representa la tension que causa la fractura frente a los ciclos y la resistencia a la fatiga en los aceros es el no de ciclos para el cual el esfuerzo se establiza.

El proceso de fractura por fatiga comienza formandose una grieta que mas tarde crece en la banda de deslizamiento dejando una seccion que no aguanta la carga y se produce la fractura ductil.

La resistencia a la fatiga se puede mejorar eliminando puntos de concent de tension,eliminando rugosidad superf,tratamientos superf,proteccion contra ataque quimico.

5.6-Fluencia:

Es la deformacion que aparece cuando un material esta sometido a esfuerzo y a bastante t.

En el ensayo de fluencia se representa el esfuerzo frente al tiempo.La pendiente en la zona recta es la v de fluencia.

TEMA 6-PROPIEDADES ELECTRICAS:

6.1-Teoria de bandas:

Los e- de un atomo de un elemento se encuentran dispuestos en distintos niveles energeticos.En una porcion solida de dicho elemento los atomos estan tan juntos que sus niveles energeticos mas externos se solapan.Por el principio de exclusion de Pauling cada e- de valencia en una porcion solida de un elemento ha de tener un nivel de energia ligeramente distinto del resto,formandose asi una banda continua que auna niveles de energia muy similares correspondientes a un mismo orbital.

De esta manera se definen las bandas de valencia y de conducccion,en la primera se encuentran los e- de conduccion y por la segunda es por donde han de ir para conducir.

En los aislantes los e- no pueden pasar a la banda de conduccion y no existe conduccion electrica.

En los conductores ambas bandas estan solapadas y los e- pueden circular por la banda de conduccion.

En los semiconductores los e- pueden ser excitados para atravesar el salto energ existente entre bandas,lo que provoca la creacion de un par hueco,e- que son ambos portadores de carga.

6.2-Efecto de la temperatura:

La resistividad electrica de un metal es la suma de un componente termico y uno residual.El primero es consec de las vibracones de los ats en torno a sus posics de eq.A medida que aumenta la t los iones + vibran mas y unas ondas elasticas excitadas termicamente,fonones,dispersan los e- de conduccion dificultando asi la conduccion.Ver ecuacion de la resistividad-temperatura.

6.3-Efecto de aleantes y defectos cristalinos:

Cuando se alean dos materiales la conductividad empeora ya que la red original se ve distorsionada por la inclusion del aleante,lo que dificulta el camino que han de seguir los e-.

Cualquier defecto cristalino empeora la conduc por la misma razon antes expuesta.

6.4-Termopares:

Es un dispositivo empleado para medir temperatura consistente en dos alambres de distinto metal soldados juntos por un extremo de tal manera que al introducir dicho extremo en el lugar cuya temp se desea medir se produce por cada alambre una corriente que determin una ddp entre los extremos no soldados que a su vez nos da la temp buscada.

6.5-Semiconductores:

Los semi intrinsecos son semi puros cuya conductividad electrica viene dada por sus propiedades conductoras inherentes.Ejemplos son el Si y el Ge.El mecanismo de conduccion en estos es el de huecos,e-.En estos la conductividad crece con la temp ya que se excitan mas e-.

Los semi extrinsecos son soluciones solidas sustitucionales muy diluidas en las que los ats del soluto poseen caracs de valencia diferentes de las del disolvente.La adicion de ats de P crea tipo n ya que se consigue liberar un e- para conducir mientras que la adicion de ats de B o Al crea tipo p ya que se libera un hueco para crear conduccion.En estos existe un rango de temps para el cual no varia sustancialmente la conductividad.

6.6-Condensadores:

Se fabrican con maters en los que se crean dipolos facilmente.Este material se coloca entre dos armaduras de metal y se hace circular corriente de manera que polarizamos y almacenamos energia.Los params mas importantes son la cte dielectrica o caga almacenada y la rigidez dielectrica o maxima tension capaz de soportar el condens entre sus bornes sin que se perfore el dielectrico.

7-PROPIEDADES MAGNETICAS:

7.1-Magnetismo:

Los campos magneticos se originan por el movim de los e-.El magnetismo de los materiales es debido al espin de los e- y a su movimiento orbital alrededor del nucleo.Fe,Co,Ni son los unicos tres metales que una vez imanados a temp ambiente pueden generar un fuerte campo en torno a si.

Cuando se coloca un material magnetico dentro de un campo aumenta la intensidad del campo H.Este incremento se mide mediante la permeabilidad magnet mu definida como el cociente entre la induccion B y el campo aplicado H.

7.2-Tipos de magnetismo:

El diamagnetismo se da cuando mu es ligeramente inferior a mu0 y no tiene ninguna importancia en ingenieria.Desaparece al dejar de aplicar el campo.

El paramagnetismo se da cuando mu es ligeramente superior a mu0 y desaparece al retirar el campo magnetico que se aplica

El ferromagnetismo se da en Fe,Co,Ni porque mu es muy superior a mu0.Todos los dipolos magneticos que se crean en estos maters se orientan en la direccion del campo y cuando este se retira el propio material genera un campo.

El antiferromagnetismo se origina cuando unos dipolos se orientan en la direccion del campo y otros en la contraria de manera que ambos efectos se compensan perfectamente.Algunos ejemplos son Mn y Cr en solido a temp ambiente.

El ferrimagnetismo se da porque no todos los dipolos creados son de igual magnitud y al orientarse antiparalelamente se produce un momento neto no nulo.Las ferritas,ceramicos,son ferrimagneticas y poco conductoras.

7.3-Efecto de la temperatura:

En los ferromagneticos existe una temperatura(de Curie)por encima de la cual el material se comporta como para o diamag perdiendo su magnetismo.

7.4-Dominios ferromagneticos:

Inicialmente solo algunos dominios se encuentran alineados en la direccion del campo que se va a aplicar.Cuando se aplica estos crecen a expensas de los no alineados y cuando terminan de crecer y si el campo es suficientemente intenso entonces los ultimos dominios empiezan a rotar para alinearse.Al retirarse el campo quedan todos alineados aunque los que han rotado tienden a volver un poco a su posicion.

7.5-Ciclos de histeresis:

Se representan en el plano H-B(x-y).Partiendo del origen se aumenta H hasta llegar a la induccion de saturacion Bs.Si luego se hace H=0 no se vuelve por la misma curva sino que queda una induccion remanente Br que para eliminarla es necesario aplicar un campo negativo Hc conocido como campo coercitivo.Si se sigue aumentando este campo negativo se llega a la Bs negativa que al anular de nuevo H deja una induccion remanente negativa que se elimina con un campo coercitivo positivo.El bucle descrito se conoce como cicloe histeresis y su area interior es una medida de las perdidas durante el proceso.

7.6-Materiales duros y blandos:

Los duros son los dificiles de imanar y desimanar y los blandos al contrario.Uno duro tiene un ciclo con baja Bs y alta Hc mientras que uno blando tiene baja Hc y alta Bs.

7.7-Vidrios magneticos:

Tienen muy buenas propiedades magn y ademas su ciclo es mucho mas estrecho que el de un blando.

7.8-Ferritas:

Son ceramicos,mezcla de oxidos,ferrimagneticos,aislantes elec.Existen ferritas blandas y duras.Las blandas se emplean para aplicaciones de baja señal,cabezas grabadoras.Las duras suelen tener estruc hexag y se emplean cuando se requieren materiales magnet permanentes baratos y de baja densidad como en altavoces,avisadores,telefonos,etc...

7.9-Superconductores:

Para la mayoria de los metales la conductividad aumenta de modo regular con el decrecimiento de la temp pero para algunos existe una temperatura llamada critica en la cual la conduc aumenta casi hasta el nivel maximo sin tener que haber alcanzado el minimo de temperatura.Otras magnitudes que influyen en este fenomeno son B y la densidad de corriente J.B,J,T determinan en el espacio 3D una region dentro de la cual un material sera superconductor y fuera normal.La t critica se encuentra entre 4k y 109K.

TEMA 8-PROPIEDADES TERMICAS:

8.1-Introduccion:

Al calentarse un material a nivel micro ocurre que los e- se aceleran y los nucleos empiezan a vibrar creando ondas elasticas o fonones.

A nivel macro el material absorbe energia y se calienta(cap calorifica) ,puede cambiar su tamaño debido a la dilat termica y puede transmitir el calor con los e- moviles y los fonones gracias a la conductividad termica.

8.2-Cap calorifica:

Es el calor por unidad de masa que necesita un material para aumentar su temp en 1C.

La cap calorifica depende de la temp,siendo nula cuando esta lo es.Esta dependencia cuando se expresa graficamente da lugar a una curva asintotica que indica que a elevadas temps todos los materiales tienen similares caps.

La cap calorifica conlleva un aumento de temp en la muestra y una vibracion de los atomos,por tanto cuanto mas fuerte sea el enlace entre estos mas calor habra que suministrar para romperlos y mayor sera la temp de fusion.

8.3-Dilatacion termica:

La dilatacion es debida tambien al hecho de que con el calor los nucleos de los atomos vibren(ver ecuacion de alargamiento).

La mayor fuerza de un enlace hace que la dilatacion sea menor.

La dilatacion termica tiene gran importancia en los procesos de colada ya que sabiendo cuanto se contrae el material durante el enfriam sabremos la cantidad de material liq a añadir durante el proceso.

8.4-Conductividad termica:

Es la capacidad para transmitir el calor y existen dos mecanismos basicos para ello;por los e- o por los fonones.

En los metales predomina la conduccion por e- apareciendo altas conductivdades.

En los ceramicos los e- no tienen facilidad para moverse y predomina la conduccion por fonones teniendo asi conducs mas bajas.Hay que tener en cuenta que existen regiones cristalinas y amorfas conduciendo mucho mejor las primeras dado que su ordenacion atomica regular favorece en alto grado la formacion de la onda.

Los polimeros son aislantes termicos que casi no conducen ya que sus enlaces son muy fuertes.

8.5-Tensiones termicas:

Se dan cuando variaciones de temp se traducen en esfuerzos mecanicos.

Un caso es cuando se calienta o enfria una pieza cuyo movimiento se encuenta restringido.

Tambien aparecen cuando se enfria muy rapido un metal con variaciones alotropicas ya que aparecen diferentes estrucs cristalinas que pueden generar tensiones mecanicas,el caso mas tipico es el de temple de aceros.

Se pueden deber a gradientes de temp en el seno de la pieza.

La tension termica mas import es el choque termico que se da principalmente en ceramicos.El choque se produce debido a una variacion de temp muy rapida.La conduct termica elevada aporta una mayor resistencia al choque ya que el calor se distribuye por la pieza,una alta dilatacion supone una peor resist al choque y un modulo de Young grande hace que la resist al choque sea menor.Los factores anteriormente citados se conjugan en una formula para calcular la resist al choque termico(ver formula).

8.6-Bimetales:

Consisten en la soldadura de dos metales con coefs de dilatacion muy distintos.Al calentarse el conjunto cada uno de ellos se dilatara de forma distinta y el bimetal se combara.Evaluando el radio de curvatura alcanzado podremos determinar la temp.

TEMA 9-PROPIEDADES OPTICAS:

9.1-Introduccion:

Las propiedades opticas de los materiales aparecen debido a la interaccion que tiene cualquier tipo de radiacion con estos.

La radiacion se define mediante tres factores principales que son la energia,la longitud de onda y la frecuencia(ver ecuacion).

El espectro visible es aquel que se da para longitudes entre 400 y 700 nm.

9.2-Transmision,reflexion y radiacion:

Cuando una radiacion llega a un material una parte se refleja y la otra se absorbe.De la parte absorbida una parte es completamente absorbida y otra es transmitida.

Ver ecs de cantidad de onda reflejada,onda absorbida y transmitida.

Cuando una onda pasa de un medio a otro distinto se produce una refraccion,o sea,un cambio en la direccion de la onda,lo que no implica una absorcion de energia por parte del medio(ver ley de Snell).La refraccion es un fenomeno muy importante en el que se basa la fibra optica.

9.3-El color:

Un metal es opaco cuando refleja casi toda la luz que le llega,de un 90 a un 95 pct,y de la parte absorbida no se transmite nada.Si queremos que parte se transmita,atendiendo a la formula del apartado anterior,el espesor de la pieza ha de ser muy pequeño.

Los metales tienen colores caracteristicos debido a que los e- se excitan llegando hasta la banda de conduccion y al caer desde ella liberan energia luminosa.La cantidad de energia absorbida por los metales depende de la estructura electronica de cada uno.Por ej,el Cu y el Au absorben mayor cantidad de longs de onda mas cortas,como el azul y el verde,y una mayor reflexion de longs mas largas,como el amarillo y el rojo,asi las superfs de estos metales muestran dichos colores reflejados.Otros metales como Ag y Al,reflejan fuertemente todas las regiones del espectro visible y muestran un color blanco plateado.

Los ceramicos pueden ser transparentes u opacos.Si son transparentes es porque son vitreos o monocristales.Cualquier defecto como los limites de grano restan transp al material.En general no tienen color y si lo tienen es debido a la presencia de impurezas metalicas.

Con los polimeros ocurre igual que con los ceramicos,pueden ser transparentes u opacos.Cuanto mas vitreos sean mas transparentes pero con la pesencia de defectos se hacen opacos.Nunca tienen color.

9.4-Luminiscencia:

Es el proceso por el cual una sustancia absorbe energia y despues,espontaneamente,emite radiacion en el espectro visible.Si la emision tiene lugar en los 10ala-8 s despues de la excitacion la luminiscencia se llama fluorescencia,y si la emision dura mas de 10ala-8 s se denomina fosforescencia.

La aplicacion mas importante de este fenomeno es el catodo de luminiscencia en el que se genera un haz de e- de alta energia que impacta sobre una pantalla fosforescente y crea una imagen.

9.5-Efecto fotoelectrico:

Es el proceso por el cual la energia luminosa visible se transforma en energia electrica.Las aplicaciones de este efecto son fotometros, sensores,etc....

9.6-Fibra optica:

Tienen un espesor de unos 1.25 microm de diametro y estan fabricadas primariamente en vidrio de silice Sio2.Los sistemas de comunicacion por fibra optica constan esencialmente de un transmisor(diodo laser)para convertir las señales electricas en luminosas,una fibra optica para transmitir dichas señales y un fotodiodo para convertir estas nuevamente en señales electricas.Las fibras tienen perdidas muy bajas, apreciables a partir de distancias de 40 km,que se deben principalmente a la preesencia de iones Fe2+.Las perdidas se miden en dBporkm.

TEMA 10-MATERIALES METALICOS:

10.1-Obtencion de las aleaciones ferreas:

En la siderurgia integral se introduce FeO en el alto horno y se reduce con C,se obtiene Fe con 4% de C y lo max permitido es el 0.8% asi que quemamos la mezcla con O2 y obtenemos el acero deseado.

En la aceria electrica:se funde chatarra,Fe puro,y una vez fundido ajustamos la composicion y solidificamos lo que se puede hacer de 2 maneras(moldeo directo o colada continua e varillas).

10.2-Sistema Fe-C:

A partir de un contenido de 6.67% de C no existe aplicacion industrial.

Las fases solidas del diagrama son las que aparecen a continuacion.

Ferrita alfa,solucion solida intersticial de C en Fe BCC al 0.02 % C.

Austenita o fase gamma,solucion solida intersticial de C en Fe gamma con estructura FCC con una solubilidad max de C de un 2.08%.

Cementita o Fe3C que es dura y quebradiza.

Ferrita delta,solucion solida intersticial de C en Fe delta con estructura BCC que no se usa nunca porque al enfriarse la aleacion desaparece.

Las reacciones invariantes del sistema son la peritectica(L+delta=gamma a 1495C),la eutectica(L=gamma+Fe3C a 1148C) y la eutectoide(gamma=alfa+ Fe3C a 723C).A partir de la reaccion eutectica se forma un hierro llamado ledeburita y a partir de la eutectoide la perlita que es una estructura laminar de placas alternadas de alfa y Fe3C.

Propiedades de las fases:

La ferrita y la austenita tienen caracter metalico.La austenita es muy ductil y muy deformable,mas que Fe alfa, por lo que es menos resist.

La cementita presenta un caracter muy fragil aunque es muy dura.

El eutectoide 0.77 presenta propiedades intermedias entre ferrita, austenita y cementita.

10.3-Clasificacion de los aceros:

Aceros de construccion que se emplean en cualquier tipo de pieza constructiva como motores,engranajes y vigas.Se dividen en no tratados termicamente(al carbono,de baja aleacion y de facil mecanizacion), tratados termicamente(al carbono,de baja aleacion y endurecidos superficialmente como los de cementacion y nitruracion con una superficie muy dura y tenaz) y tratados termomecanicamente.

Aceros inoxidables,con gran resistencia a la corrosion pudiendo ser austeniticos,ferriticos o martensiticos.

Aceros de herramientas que se dividen en para trabajo en frio,en caliente o aceros rapidos.

10.4-Norma UNE para los aceros:

Letra F y 4 numeros que responden como sigue,1=familia(1construccion,3inoxidable,5herram,8moldeado),2=subfamilia,3 y 4=delimitan totalmente.

10.5-Aceros al carbono:

Son aleaciones de Fe y C con algo de Mn y Si.Existen dos grupos,uno con mas de 0.77% de C y otro con menos de 0.77% de C.

Los aceros hipereutectoides,entre 0.77% y 2.1% de C,microestructura de perlita bordeada de cementita en los limites de

grano.La cementita crece mucho en el limite de grano y es muy dura y fragil lo que hace que estos

aceros sean asi tambien teniendo por tanto muy malas propiedades.No se emplean casi nunca si no

es con un tratamiento termico especial que permite emplearlos.

Los aceros hipoeutectoides,con menos de un 0.77% de C,tienen en su estructura ferrita y perlita.La ferrita crece en volumen y no lo hace en los limites de grano de perlita asi que tendremos granos de ambas fases perfectamente distribuidos.Estos aceros son los que se usan

industrialmente y tienen propiedades intermedias entre ferrita y perlita.

Propiedades de los aceros al carbono son que son baratos,resisten la corrosion y la oxidacion a niveles bajos luego para algunas aplicaciones no sirven y desde el punto de vista mecanico cuanto mas C tenga sera mas resistente,mas duro menos ductil y menos tenaz.

Las aplicaciones de los aceros al carbono dependen de la cantidad de C que lleven.Los dulces o de facil soldabilidad,con menos del 0.25% de C,contienen ferrita y presentan unas resistencias entre 150 y 350 MPa, se emplean para todo lo relacionado con la construccion de puentes y casas donde no se requiere una resistencia extrema si no facilidad para soldar.Los aceros que tienen mas de un 0.25% de C se pueden emplear muchas veces templados(martensita),revenidos o recocidos(ferrita y perlita) presentando unas resistencias entre 500 y 1600 MPa y aplicandose en multitud de cosas como railes y ejes.

10.6-Tratamiento termico de aceros al carbono:

Calentamos el acero para tener austenita y lo enfriamos rapidamente con agua o aceite para tener martensita. Este es el proceso de temple o tratamiento martensitico.La martensita es lo mas duro que hay pero es muy fragil.Los aceros templados sin mas no se usan nunca,despues del temple se les practica el revenido que consiste en calentar sin llegar a la temp eutectoide lo que da lugar a que la martensita revenida sea mas ductil y tenaz aunque pierde algo de resistencia.La martensita presenta una estructura en forma de agujas.El temple es un proceso en el que se sufren muchas presiones y en el caso de los aceros de baja aleacion se echan pequeñas cantidades de Mo,Cr para facilitarlo.

10.7-Aceros de baja aleacion:

El porcentaje de aleantes del 5% de Cr,Ni,Mo.Dan aceros mas templables con resist de hasta 2000 MPa.Los aleantes pueden hacer que aparezca mas ferrita o mas austenita.Los gamagenos son Ni,N,Cu,Co.Mn.Los

alfagenos son la gran mayoria Cr,Mo,Br,Si,Al,W,Vd.Tambien hay carburigenos como W,Vd que favorecen la presencia de carburos.Los aleantes pueden aparecer en la estructura final formando una solucion solida(lo mas frecuente),como elem libre en el caso del Cr,como impurezas,como carburos como compuestos intermetalicos lo que no es frecuente.

10.8-Aceros inoxidables:

Lo son por tener mas de 11 o 12% de Cr que forma una capa exterior de oxido de Cr que protege.Existen varios tipos que son los siguientes.

Aceros inoxidables cuyo unico aleante es Cr en un porcentaje superior al 12,al ser un aleante alfageno son aceros ferriticos.

Aceros inoxidables austeniticos que llevan Cr y Ni para contrarrestar y superar el efecto del primero.

Aceros inoxidables martensiticos,que son aleaciones de Fe y Cr con algo de C lo que hace que el acero sea templable.

Los mas duros y resistentes de los tres son los marten(+m,f,a).Los austen son los mas ductiles y los mas resistentes a la corrosion (+a,f,m).

Estos aceros se rigen por la norma ANSI.En cuanto a los austeniticos los mas tipicos son el acero 304 18 Cr/10 Ni,el acero 316 18 Cr/10 Ni/2 Mo;son en general mas resistentes a la corrosion y los que mas aplicaciones tienen como tanques y ollas,tambien son mas caros.Los ferriticos que pueden tener entre un 12 y un 18% de Cr se usan para aplicaciones a alta temp siendo el mas tipico el acero 430 al 18% de Cr .Los martensiticos tienen composiciones variables de Cr entre un 12 y un 18% y de C entre un 0.1 y un 1%,siendo el mas tipico el 410 18Cr/0.2 C/Mn que se emplea para aplicaciones de alta resistencia mecanica y a la corrosion como cuchillos y herrams quirurgicas.

10.9-Fundiciones:

Blancas:tiene Fe y cementita y siempre aparece ledeburita.Pueden ser hipo o hipereutecticas.Las hiper no se usan ya que crean varillas de cementita a lo largo de toda la pieza que son fragiles.Las hipoeutecticas(ledeburita y granos de perlita) son muy duras ,fragiles y baratas.Se hacen en un horno con chatarra con C hasta el 4% y al salir se moldea directamente.Antes se usaban mucho pero ya han sido ampliamente superadas.

Grises:enfrian segun el diagrama luego el proceso ha de ser lento y se añade Si para favorecer la presencia de C.Al solidificar aparecen laminas de grafito y un acero de 0 a 0.7 de C.No son muy resistentes,poco tenaces y poco ductiles,absorben bien las vibrac y son baratas.Se emplean para tapas de alcantarillas,contrapesos de ascensores y para cualquier pieza constructiva en general que no este sometida a grandes esfuerzos.

Esferoidales:muy parecidas a las grises pero en vez de aparecer laminas aparecen esferas lo que iguala las propiedades de las grises pero aporta mayor ductilidad,son mas caras porque hay que echar Mg en cantidad muy controlada para obtener las esferas y exigen un control estricto en el ajuse de la composicion.

10.10-Aluminios:

Se descubrio en 1825 pero no se pudo utilizar porque el oxido de Al era muy estable y no se disponia de tecnologia electrica suficiente para separar el metal del oxido.

Se fabrica a partir del oxido llamado auxita que tiene un 65-70% de alumina.El proceso de obtencion se divide en dos.El proceso de Bayer obtiene alumina pura y el de Hall-Geran usa electrolisis para romper la alumina y sacar Al metal pero emplea demasiadada energia.

Las propiedades que presenta son que es una aleacion ligera con una densidad de 2.7,conduct termica y electrica altas,inalterable por la atm ya que se recubre de oxido,inocuo,FCC,no alotropico,funde a 660 lo que es bajo,no es muy resistente 50 MPa,muy ductil,muy tenaz,muy deformable,no tiene temp transicion ductil fragil lo que permite emplearlo en frio,puede sustituir al Cu como conductor,el hecho de que su modulo de Young sea un tercio del del acero hace que sea menos rigido y que no sea facil fabricar estructuras,resiste muy bien la corrosion,es dificil de soldar y hay que tener cuidado al moldearlo. Se emplea para aplicaciones electricas,tanques quimicos,radiadores, ventanas,intercambiadores decalor,canales,envases,aeronautica, coches y bloques de motores de coches.

Se nombran segun la nomenclatura americana que divide las aleaciones en forjadas y de moldeos.Aparecen 4 digitos,el primero de ellos muestra la composicion del aleante mas imortante siendo 1000 Al puro.La norma UNE emplea dos digitos para los aluminios.

Para conseguir que sea mas resistente se puede alear a costa de propiedades electricas,deformar o envejecer termicamente.Segun el tratamiento aplicado se añade una letra que es o para recocido,h para deformado y t para envejecido y otro numero indicando la intensidad del tratamiento.

El anodizado consiste en oxidarlo controladamente para tener una capa de oxido y otra de alumina,la capa ha de ser homogenea.Primero se obtiene mediante electrolisis una capa porosa de alumina y luego se sella esta capa con H2O casi hirviendo para hidratar la alumina y que aumente de volumen sellandose.

Se colorea por inmersion(el sellante es colorante),electroliticamente o por anodizacion autocolorante.

10.11-Cobre:

Se saca a partir de sulfuros de cobre y hierro,se oxida para quitar el Fe y O2 hasta conseguir una pureza del 95%.Existen dos metodos.Afino termico consistente en calentar para que continue la oxidacion pudiendose obtener una pureza de un 98%(poco usado) y afino electrolitico en el que el cobre de 95% de pureza del catodo se disuelve.

Tiene una densidad de 9.8,funde a 1083,FCC,no alotropico, conduce muy bien los e- y el calor,resiste corrosion con capa de Cu2O,tiene una resistencia de 200 a 220 Mpa,ductil y deformable pero sin temp de transicion ductil fragil por lo que no se usa a elevadas temps,se suelda muy facilmente,sus aleaciones presentan colores muy peculiares, pero lo malo es que los compuestos de Cu son toxicos.

Tiene muchas aplicaciones y la mayoria son electricas,las que no lo son emplean su resistencia a la corrosion como n tuberias,valvulas, aplicaciones submarinas.

Existen dos grupos importantes en cuanto a aleaciones del Cu.

Los latones,que son aleaciones de Cu y Zn.Tienen una conductividad electrica muy baja y al aumentar el porcentaje de Zn presente aumentan la resistencia,la dureza,el alargamiento y la resistencia a la corrosion.Las mejores propiedades mecanicas se obtienen al 30% de Cu.

Los latones alfa se dividen en los que tienen de un 0 a un 20% de Zn o latones rojos(aplicaciones ornamentales),de un 20 a un 35% de Zn o latones amarillos(para decoracion o para valvulas,tornillos,ferreteria) y con mas de un 35% de Zn(para instrumentos musicales).

Los latones alfa+beta no tienen aplicaciones porque son fragiles.

Los latones beta se usan para soldadura porque el Zn es muy volatil.

Los bronces son aleaciones de Cu y Sn el cual mejora la resistencia mecanica y a la corrosion apareciendo en porcentajes de hasta un 10%.

Una propiedad importante es el bajo coef de friccion asi que se emplea para filtros,piezas de motor expuestas a corrosion,cojinetes y rodamientos.

Son muy poco homogeneos y tienen muchas transformaciones en estado solido.A veces se usa Ag como aleante en cantidades muy bajas para aumentar la temp de trabajo.Se pueden endurecer por aleacion, deformacion y envejecimiento en el caso de las aleaciones Cu-Be.

Se nombran usando la norma americana,poniendo la letra C y cinco numeros de los cuales el primero indica el aleante mas importante.

10.12-Conformado de materiales metalicos:

Moldeo:hay que prevenir las contracciones al enfriar añadiendo mas metal liquido,hay que evitar huecos sin rellenar en el molde,se pretende una estruc equiaxial.

Deformacion:aplicando un esfuerzo mecanico al material ya sea en caliente o en frio,se puede hacer por laminacion,forja abierta o cerrada,extrusion,trefilado o estirado y embuticion.

Sinterizacion

Soldadura:existen diversas tecnicas dependiendo de como se aplica el calor,si se aporta o no mas material y si se hace en atmosfera normal o inerte.Un inconveniente de la soldadura es que al haber calentamiento y enfriamiento pude haber variaciones alotropicas.

TEMA 11-MATERIALES CERAMICOS

11.1-Definicion:

Son materiales inorganicos policristalinos o amorfos de caracter no metalico que se obtienen a partir de polvos mediante tecnicas de sinterizacion a elevada temp.Se dividen en tradicionales y avanzados.

11.2-Caracteristicas:

Tienen enlaces covalentes e ionicos.

Son ligeros.

Son aislantes tanto termicos como electricos.

Tienen buen comportamiento a altas temps.

Resisten muy bien la corrosion.

Poseen una elevada resistencia mecanica que se ensaya por flexion.

Algunos pueden ser semiconductores.

11.3-Inconvenientes:

Son muy fragiles y no ductiles por sus fuertes enlaces.

Tienen poros por su sistema de procesado.

Su fabricacion es costosa.

No es facil implementarlos en un proceso de diseño.

Su comportamiento no es siempre igual bajo las mismas condiciones.

11.4-Aplicaciones:

Valvulas,motores y pistones.

Aislamiento electrico.

Lasers.

Refractarios de hornos y crisoles.

11.5-Silicatos:

Se constrruyen a partir de tetraedros con O en los vertices y Si en su baricentro,que pueden asociarse en cadenas,anillos,etc...confiriendo props. caracs. a la sustancia resultante.

11.6-Ceramicos tradicionales y avanzados:

Los tradicionales estan formados basicamente por arcilla,silice y feldespato.La arcilla es el compuesto mayoritario formado por silicatos de Al,la silice confiere refractividad y el feldesp actua de matriz vitrea del conjunto.Se emplean para lozas,losetas,etc...

Un ejemplo de ceramico avanzado es el oxido de alumina.Los avanzados se caracterizan por tener materias primas muy puras,fabricarse por metodos caros.Se emplean para herrams de corte,valvulas,pistones,cilindros.

11.7-Fabricacion de ceramicos:

Fabricacion del polvo con la pureza especificada.

Acondicionamiento con el fin de homogeneizar la mezcla.

Consolidacion del polvo.Por pulpas se mezcla el polvo con agua y luego se somete a moldeo por barbotina en moldes de yeso o alabastro.Por compactacion,se pone el polvo en una matriz metalica con la forma deseada y con presion se compacta.La productividad es mucho mayor pero han de ser piezas de marcado caracter uniaxial y reducido espesor en las que no se requiera una densidad muy homogenea.

TEMA 12-POLIMERICOS:

12.1-Estructura:

Son maters organicos formados por macromoleculas,las cuales a su vez, estan formadas por ats de C unidos covalentemente.Un polim se puede considersr como la repeticion en el espacio de una unidad llamada monomero.Casi todos tienen estrucs amorfas aunque hay alguno con vitrea.

12.2-Reacciones de polimerizacion:

La reaccion de adicion consiste en la adicion de monomeros sin perdida de ats en la union.

La de condensacion supone perdida de ats en la union y se puede obtener nylon y poliester(ver reaccion de ejemplo).

Ahora se explicara el transcurso de estas reacciones.En una reaccion de adicion encontraremos cadenas de muy variada longitud predominando al principio cadenas de menor longitud y peso molecular que a medida quue avanze la reaccion se haran mas largas y pesadas.En una de condensacion en un momento dado solo habra cadenas de longitudes muy similares(ver grafica Pm frente pct. de conversion).

Una medida importante de la eficacia de una reaccion es el grado de polimerizacion que es el num de monomeros que componen el polimero.

12.3-Clasificacion por propiedades:

Los termoplasticos son en los que las cadenas estan unidas por enlaces debiles lo que facilita su movilidad.No tienen demasiada resistencia, son ductiles,de facil conformado y reciclables.

Los termoestables son en los que las cadenas se unen con covalentes lo que implica mayor resistencia,baja ductilidad y a veces fragilidad, dificil procesado e imposibilidad de reciclaje.

Los elastomeros son en los que las cadenas se unen principalmente con enlaces debiles pero en algunos ptos aparecen enlaces covalentes lo que los hace muy elasticos.

Ver diagramas tension-deformacion para los tres tipos.

12.4-Procesado de termoplasticos:

Las tecnicas se basan en la movilidad de las cadenas.

Extrusion,soplado,moldeo por inyeccion(el polimero rellena el molde correspondiente a una pieza complicada),conformado por vacio(succion).

12.5-Procesado de termoestables:

Se parte de un polvo que se somete a P y T suficientes para polimerizarlo.Las tecnicas son el moldeo por compresion y el moldeo por transferencia(el polvo se transfiere al molde justo antes de polimerizar).

TEMA 13-MATERIALES COMPUESTOS:

13.1-Definicion:

Un material compuesto proviene de la combinacion de dos o mas materiales diferentes micro o macroscopicamente con una relacion interfacial que pretende mejorar ciertas propiedades.

Los compuestos constan de una matriz,la fase continua normalmente mayoritaria,y un refuerzo que ayuda a mejorar las propiedades deseadas.

13.2-Clasificacion:

Para clasificar un material compuesto es necesaro describir los siguientes aspectos.Descripcion de la matriz(metalica,ceramica o polimerica),descripcion del refuerzo(idem),forma del refuerzo( particulas,fibras cortas o largas),cantidad de refuerzo en la comp total,orientacion del refuerzo(determinada o aleatoria).

13.3-Estructuras laminares:

No son compuestos exactamente pero son estrucs en las que se aplica la idea de combinar dos fases o materias con el fin de mejorar las propiedades del conjunto.Ejemplos son las estrucs de nido de abeja o los contrachapados.

13.3-Compuestos de matriz polimerica:

Se emplean matrices termoestables o termoplasticas.Se busca mejorar la resist mecanica usando fibras largas de fibra de vidrio,cuando se emplean fibras cortas es para mejorar otras cosas.Los de fibras cortas se pueden fabricar manualmente pero el resultado es malo asi que se emplea la proyeccion simultanea de ambas fases mediante pistolas.Para los de fibras largas las tecnicas son las dos siguientes.

La pultrusion consiste en hacer pasar las fibras por un baño del polimero para que asi queden impregnadas de este.

La compresion o prensado en caliente consiste en poner en un molde el polimero y las fibras y aplicar calor y presion hasta polimerizar.

13.4-Compuestos de matriz ceramica:

Se busca reducir la fragilidad mediante fibras cortas o particulas.Ambos refuerzos seran ceramicos para aguantar elevada temp. Se procesan de manera identica a los ceramicos avanzados.

13.5-Compuestos de matriz metalica:

Se quire mejorar la resistencia al desgaste,al calor y al impacto.Los refuerzos ceramicos mejoran la resistencia al desgaste y el calor mientras que los metalicos refuerzan la resistencia al impacto.