1

Tema 1: Materiales Metálicos: Microestructura y propiedades físicas

1. Microestuctura de los materiales.

2. Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica.

3. Enlaces metálicos.

4. Microestructura cristalina metálica.

5. Metales monofásicos y polifásicos: aleaciones y diagramas de fase.

6. Durabilidad y protección de metales.

MATERIALES II

Curso 2018-2019. Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara

Profesora Ana M.ª Marín Palma

• Las propiedades y características de los Materiales de Construcción dependen de

la configuración y sustancias que la componen y de las fuerzas que existen entre

ellas.

• Los materiales se pueden estudiar a distintos niveles. Cada nivel de estudio

proporciona diferentes grados de conocimiento.

• Las herramientas de estudio se corresponden con las diferentes Escalas de

observación.

Microestructura de los materiales

1

2

2

Escalas de observación: atómica, microestructural y tecnológica

• Escala atómica: estudia la materia a niveles de átomo y organización molecular. Se distinguen

las fuerzas electromagnéticas (atómicas).

• Escala microestructural: se diferencia la estructura del material. Se manifiestan las fuerzas de

adhesión.

• Escala tecnológica: se observa el material en su conjunto (macroscópica). Se aprecian las

propiedades organolépticas y tecnológicas.

Escala Tecnológica

Escala Atómica Escala

Microestructural

El átomo como unidad básica

• El átomo es la entidad más pequeña que influye directamente en las

propiedades de los materiales.

• El átomo está constituido por un núcleo formado por protones (partículas

con carga eléctrica positiva) y por neutrones (eléctricamente neutros).

• El núcleo es donde se concentra toda la masa.

• Los electrones son partículas elementales con carga negativa y orbitan alrededor del núcleo a

distancias especificas en una o más capas (capas electrónicas).

• Se denomina nube electrónica a los electrones que se encuentran alrededor del núcleo y

determinan el modo en que un átomo interactúa con otros átomos.

• La capa de electrones más interna de un átomo solo contiene 2 electrones (excepto H). La capa

más externa no tiene más de 8 electrones.

• Los electrones de la capa externa son los que normalmente están implicados en el enlace

químico.

3

4

3

• En un elemento, el número de protones en su núcleo determina su identidad y su número

atómico.

• Cada elemento tiene su propio número atómico característico. Ej.: El hidrogeno (H) → tiene 1

protón en su núcleo y por tanto su número atómico es de 1.

• Los átomos tienen un número de masa atómica: protones + neutrones del núcleo (los

electrones apenas aportan masa a los átomos).

• Átomos del mismo elemento químico pueden tener números másicos diferentes, porque el

número de neutrones puede variar. Ej.: El carbono tiene 6 protones, pero el número de neutrones

puede variar entre 6, 7 y 8 → hay tres isótopos del carbono, cada uno de ellos con un número

másico diferente → Carbono 12, Carbono 13 y Carbono 14.

• Los isótopos de un elemento tienen el mismo comportamiento químico.

El átomo como unidad básica

• La disposición de los electrones en un átomoaislado da origen a la tabla periódica.

• De la tabla se puede extraer lascaracterísticas químicas y de formación deenlaces de los elementos.

• Estas características establecen el tipo y lafuerza de los enlaces que el elemento puedeformar con otros elementos.

• El tipo y la fuerza del enlace determinan laspropiedades físicas y mecánicas del materialsólido que se forma.

Filas → períodosC

olu

mn

as→

gru

po

s

• Los elementos se designan por su símbolo químico.

• Están ordenados por su número atómico (número de protones), por su configuración deelectrones y sus propiedades químicas.

• Los elementos de una misma columna tienen un comportamiento similar.

Tabla periódica

5

6

4

• La electronegatividad de un elemento mide su tendencia a atraer hacia si electrones, cuando

está químicamente combinado con otro átomo.

• Los elementos químicos se pueden clasificar en función de su electronegatividad en:

- Metales: Tienen electronegatividad baja. Forman cationes (iones positivos) por pérdida

de electrones.

- No Metales: Tienen electronegatividad alta. Forman aniones (iones negativos) por

ganancia de electrones.

Electronegatividad

• Prácticamente todas las sustancias que encontramos en la naturaleza están formadas por

átomos unidos.

• Las intensas fuerzas que mantienen unidos los átomos en las distintas sustancias se

denominan enlaces químicos.

• Los átomos se unen porque, al estar unidos, adquieren una situación más estable que cuando

estaban separados.

• Esta situación de mayor estabilidad suele darse cuando el número de electrones que poseen

los átomos en su último nivel es igual a ocho (estructura de los gases nobles).

• Existen tres tipos principales de enlaces químicos: enlace iónico, enlace covalente y enlace

metálico.

• Estos enlaces condicionan las propiedades de las sustancias que los presentan.

Enlace químico

7

8

5

Enlace iónico: Cuando átomos de elementos metálicos (períodos 1, 2 y 3) se encuentran con átomos no

metálicos (períodos 16 y 17).

Enlaces covalentes: Son fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos no metálicos (elementos

situados a la derecha en la tabla periódica -C, O, F, Cl, ...).

Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo (electrones de valencia) y tienen tendencia

a ganar electrones más que a cederlos. Por tanto, los átomos no metálicos no pueden cederse electrones

entre sí para formar iones de signo opuesto. El enlace se forma al compartir un par de electrones entre los

dos átomos, uno procedente de cada átomo. El par de electrones compartido es común a los dos átomos y

los mantiene unidos. Se forman así habitualmente moléculas (pequeños grupos de átomos unidos entre sí

por enlaces covalentes).

Tipos de enlace

Enlace metálico: Los electrones de la capa más externa se mueven fácilmente de un átomo a otro.

Los metales se caracterizan por poseer un número pequeño de electrones en la capa exterior de los

átomos. Según la teoría del enlace metálico, estos electrones forman un gas electrónico, que ocupa bandas

limitadas en el seno del metal y pueden pasar fácilmente de unas a otras, lo que justifica la relativa

libertad de que disponen dentro de la red. Así los metales estarían constituidos por cationes, (átomos que

han perdido electrones) con posiciones fijas y nubes de electrones pertenecientes al conjunto.

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_int

eractiva_materia/curso/materiales/enlaces/metalico.htm

Tipos de enlace

Iónico Covalente Metálico

9

10

6

• Los materiales sólidos pueden tener diferentes tipos de microestructura:

• Según su orden:

• Según su composición:

Monofásicas: un único componente.

Polifásicas: dos o más componentes.

Cristalino: ordenada y periódica.

Amorfo: desordenada.

Microestructura de los materiales sólidos

• En los metales los átomos se ordenan formando redes tridimensionales, ocupando posiciones de

equilibrio en los vértices de determinadas formas geométricas.

• Los metales de uso industrial más frecuente cristalizan en tres redes:

- Red cúbica centrada (CC, BCC): hierro alfa, vanadio, cromo, titanio, molibdeno, etc.

- Red cúbica de caras centradas (CCC, FCC): hierro gamma, cobre, aluminio, oro, plomo,

níquel, plata, etc.

- Red hexagonal compacta (HC, HCP): magnesio, berilio, cinc, cadmio, etc.

Microestructura de los materiales metálicos

11

12

7

• Isótropos (propiedades iguales en todas direcciones)

• Densos.

• Insolubles en disolventes polares (agua).

• Físicas

• Mecánicas

Conductores eléctricos.

Conductores térmicos.

Incombustibles (en condiciones normales).

Alto coeficiente de dilatación.

Dúctiles y maleables.

Comportamiento elásto-plástico.

Alta resistencia a compresión y tracción.

Propiedades derivadas de la estructura

13

14

8

(V. P. Silva 2006)

(V. P. Silva 2006)

15

16

9

• Son discontinuidades en la organización espacial del cristal.

• Influyen en las propiedades mecánicas, físicas y químicas de los materiales cristalinos.

• Tipos: - Puntuales.

- Superficiales (fronteras de grano).

- Lineales (dislocaciones).

Defectos en sólidos cristalinos

• Alteraciones o discontinuidades puntuales de la red cristalina provocadas por uno o varios átomos.

• Origen: · Movimiento de átomos durante el calentamiento o el procesado del material.

· Introducción de impurezas.

· Aleación.

• Tipos:

- Vacantes: falta un átomo en la red cristalina.

- Defecto substitucional: Substitución de un átomo por otro distinto.

- Defectos intersticiales: hay un átomo en un hueco de la red cristalina.

Defectos puntuales

17

18

10

Vacancia Intersticial Sustitución

Sustitución Intersticial + vacancia Vacancia doble

Defectos puntuales

• Imperfecciones o irregularidades lineales en una red ideal o perfecta.

• Origen: proceso de solidificación o proceso de moldeado.

• Tipos:

- Cuña (borde o arista): hay un plano de átomos adicional

- Mixta: combinación de las anteriores

- De tornillo: por cizalladura del cristal

Defectos lineales: dislocaciones

19

20

11

1. Al aplicar un esfuerzo cortante, la dislocación puede romper los enlaces de los

planos atómicos contiguos

2. Los planos con enlaces rotos se desplazan ligeramente y en sentido contrario

para reestablecer sus enlaces atómicos.

3. Esta recombinación hace que la dislocación se desplace.

4. Finalmente el material queda deformado.

Importancia del deslizamiento de las dislocaciones:

Deslizamiento de las Dislocaciones

1. El deslizamiento de las dislocaciones explica por qué la resistencia mecánica de un metal es menor delo esperable (enlace metálico).

2. El deslizamiento proporciona ductilidad al material (facilidad de deformación). De no existirdeslizamiento, el material sería frágil (enlace iónico y covalente puro).

3. Controlar el movimiento de las dislocaciones (introducir impurezas, defectos, solidificación, etc.)permite controlar las propiedades mecánicas del material.

• Fronteras superficiales, interfases o planos que separan un material en regiones de la misma

estructura cristalina pero con distintas orientaciones cristalográficas (material policristalino).

• Tipos:- Bordes de grano: límites entre cristales

- Planos de Macla: cambio de orientación en el grano

- Superficies libres: en contacto con el ambiente

Defectos superficiales

21

22

12

Defecto lineal:Dislocación en un material de composición ULaO2.

Defecto extenso:

Macla en un óxido mixto de uranio y lantano.

Microscopio TEM (transmisión electrónica)

• Los defectos puntuales:

Aumentan la resistencia (traban las dislocaciones).

Disminuyen la conductividad eléctrica y térmica.

• Los defectos lineales:

Disminuyen la resistencia.

Aumentan la ductilidad y la plasticidad.

• Los defectos superficiales:

Influyen en la adherencia, corrosión, dureza, brillo, etc.

Fronteras de grano: cortan el desplazamiento de dislocaciones.

Características derivadas de los defectos

23

24

13

Disolución: mezcla de dos sustancias en la que una pierde su identidad física.

Dispersión: mezcla de dos o más sustancias en que cada una mantiene su estado y naturaleza.

Fase a cada una de las sustancias que se distinguen en una dispersión.

El Material formado por una fase se llama monofásico u homogéneo.

El Material formado por varias fases se llama polifásico o heterogéneo.

En los sólidos polifásicos, las fases pueden:

- Formar sistema: existe relación entre las fases. Al variar una varía la otra. Ambas

dependen de las condiciones de presión y temperatura. Se trata de un Material Polifásico

(por ejemplo, el acero).

- No formar sistema: Las fases son independientes. Se trata de un Material Compuesto.

Sólidos monofásicos y polifásicos

• Son mezclas de metales (o en las que predominan los metales) que forman sistema (materialespolifásicos).

• En algunos casos, las aleaciones son soluciones líquidas (temperatura de fusión) que setransforman en dispersiones al enfriarse.

• La presencia de diferentes fases modifica las propiedades del material.

• Aleaciones utilizadas en construcción:

Aleaciones ferrosas: Aceros y fundiciones (hierro y carbono).

Aleaciones no ferrosas: Bronce (cobre y estaño)Latón (cobre y cinc)

Aleaciones metálicas

25

26

14

Los metales pueden sufrir degradación por diferentes fenómenos:

• Oxidación: por combinación con oxígeno.

Se forman costras de óxido metálico que pueden ser impermeables y proteger al metal

(cobre) o permeables (herrumbre u orín en el hierro).

• Corrosión:

• Debida a la exposición de los metales a los agentes ambientales: humedad, CO2, sales.

• Debida a la presencia de otros metales con diferente electronegatividad (pares

galvánicos).

• Fuego: Plastificación con la temperatura.

Durabilidad de materiales metálicos

• Empleo de metales o aleaciones autoprotectoras para la fabricación de las piezas → en

contacto con el ambiente forman una capa de óxido que actúa como barrera impermeable,

aislando el metal del ataque del ambiente. Ej.: utilización de planchas de cobre para cubiertas.

• Empleo de metales (cromo, níquel, platino, oro, tantalio y wolframio) o aleaciones

anticorrosivas (acero inoxidable) para la fabricación de la pieza.

• Pulido de la superficie de los metales → quede una superficie homogénea, sin huecos y

resaltos → se evita la existencia de zonas de aireación diferencial, la capa protectora dura más.

• Evitar los efectos mecánicos: roces, golpes que rompan la fina capa de recubrimiento del

metal → dejando zonas de la superficie sin proteger.

• Evitar la formación de pares galvánicos (contacto dos metales de distinto carácter

electroquímico) → aislando eléctricamente cada uno de ellos.

• Aislar el metal del agente corrosivo recubriendo la pieza con un material aislante que actúe

como pantalla entre el metal y el medio.

Medidas preventivas

27

28

15

•Por recubrimientos metálicos: Depositar sobre la pieza metálica una capa de otro metal

autoprotector lo más compacta y adherente posible. Ej.: Para proteger el hierro y el acero se

utiliza el zinc: menos noble y barato.

• Por recubrimientos no metálicos:

• Oxidación superficial: Se provoca la formación en la superficie de la pieza a proteger, de

una capa de óxido autoprotectora, de espesor adecuado, en función de las condiciones del

medio agresivo (procedimiento muy eficaz). Ej.: anodizado en el aluminio.

• Recubrimientos con pinturas: Aplicación de una capa de un producto líquido o pastoso,

que una vez seco el producto, se origine sobre la superficie de la pieza una película solida,

adherente protectora, continua, que aísle el metal del agente agresivo. Esa capa tiene dos

funciones: protectora y decorativa.

Sistemas de protección

•Microestructura •Sólidos monofásicos •Durabilidad

•Escalas de observación •Disolución •Oxidación

•Enlace metálico •Dispersión •Corrosión

•Cristales metálicos •Sólidos polifásicos •Efecto del fuego

•Defectos cristalinos •Materiales compuestos •Protección de metales

•Defectos puntuales •Diagramas de fase

•Dislocaciones •Aleaciones metálicas

•Deslizamiento de las

dislocaciones

•Defectos superficiales

Glosario de conceptos del Tema

29

30

16

• Callister, W.; Ciencia e ingeniería de materiales, Ed. Reverté, 1995.

• Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 1998.

Bibliografía

31