Tecnología de los Materiales - Resumen de la Cátedra

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Rigidez: Está dada por el módulo de elasticidad, y cuanto más alto es el valor de E, mayor resistente a la deformación será el material.

Resiliencia: Es la cantidad de trabajo que se entrega al material cuando se lo carga hasta el límite de elasticidad. Indica la capacidad del material de absorber energía en el período elástico.

Ley de Homología: Si en el diagrama hay un escalón de fluencia y una prolongación de deformaciones luego de la carga máxima, el material es dúctil. Cuando el material se rompe con deformaciones sólo en el periodo elástico y el diagrama es una recta, es frágil.

Ductilidad: Es la capacidad de deformarse que experimenta un material antes de romperse. Cuanto mayor sea la deformación más dúctil será. L ductilidad se indica en el diagrama con la distancia sobre el eje de las abscisas hasta la rotura. Para definir numéricamente esta propiedad utilizamos el término ρ que representa el alargamiento porcentual de rotura, que viene dado por la expresión:

[pic 2]

METALES

Son los elementos cuyos átomos tienen tendencia a perder electrones periféricos y formar óxidos. El 80% de los elementos de la tabla periódica son metales. Casi todos los metales se encuentran a temperatura ambiente en estado sólido. Sus características son su brillo, elevada conductibilidad eléctrica y térmica, gran resistencia mecánica y gran capacidad de deformarse sin romperse. Estas dos propiedades se deben al enlace atómico, distinto al de los demás sólidos, que se denomina enlace metálico.

Los electrones (-) tienen carga negativa y se mantienen en órbita alrededor del núcleo por su atracción electromagnética hacia los protones (+) de carga positiva que junto a los neutrones forman el núcleo del átomo. La libertad de los electrones es la causa del comportamiento plástico de los metales. Si actúa una carga externa, al desaparecer ésta, los electrones tratan de recuperar el estado inicial, dando lugar al comportamiento elástico de los metales. En la naturaleza muy pocos metales se encuentran puros, a excepción del oro, ya que aparecen combinados con otros elementos como oxígeno, carbono, azufre, etc., en forma de minerales.

La mayoría de los minerales que contienen componentes metálicos en la naturaleza vienen combinados con arcillas o calizas, denominándose “mena” a la roca o yacimiento y “ganga” al material extraño o impurezas. La metalurgia es la ciencia y tecnología de la separación de los metales a partir de los minerales, donde casi siempre es necesario recurrir a procesos químicos.

En la construcción se emplean pocos metales puros, como el aluminio, para menaje; el cobre, para conductores eléctricos que tiene su mayor eficiencia con el más alto grado de pureza y el plomo empleado en cañerías. Lo más común es que los materiales metálicos estén constituidos por un metal básico y otro elemento que se agrega para mejorar las características del primero. Estas son las aleaciones. Las aleaciones del hierro con el carbono son las más empleadas, Por ese motivo, los metales se dividen en dos grupos: Ferrosos y No Ferrosos.

Los Ferrosos son los metales que se basan en el hierro (aceros de baja aleación, aceros de alta aleación, fundiciones). Los No Ferrosos son los demás metales que no contienen hierro como constituyente principal, (cobre, aluminio, plomo, estaño, zinc, cromo, níquel, magnesio y titanio)

ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Un sólido cristalino, como los metales, tienen rigidez y un orden dado por los átomos que se fijan en posiciones perfectamente definidas formando un modelo llamado celda unitaria, que se repite teniendo en consecuencia una forma geométrica. [pic 3]

Como consecuencia de este arreglo espacial, los átomos ocupan posiciones tales que sus centros coinciden con los vértices de cuerpos geométricos regulares. El arreglo más simple es el cúbico esquematizado en la figura. La mayoría de los metales cristaliza en los sistemas cúbico y hexagonal.

[pic 4]

Se denomina eficiencia de empaquetamiento al porcentaje de espacio de la celda unitaria ocupada por las esferas, que determina una propiedad importante de los materiales: la densidad o peso específico.

ALEACIONES

Si en un sistema de coordenadas, sobre las abscisas representamos el tiempo y sobre las ordenadas la temperatura es posible trazar la curva de enfriamiento y de calentamiento. Cuando un sólido se calienta, su temperatura aumenta en forma gradual hasta llegar al punto A, donde el sólido comienza a fundirse. Durante el período de fusión (A-B), tenemos una línea horizontal, en la que el sistema absorbe calor y la temperatura permanece constante. El calor ayuda a las moléculas a vencer las fuerzas de atracción en el sólido.

Una vez que la muestra se ha fundido por completo (punto B) el calor absorbido aumenta la energía cinética promedio de las moléculas del líquido, y la temperatura del líquido aumenta (B-C).[pic 5]

La curva de enfriamiento es inversa, como se ve en la figura de la derecha. Si se quita calor de una muestra líquida se transformará a sólido pasando por un punto C donde se alcanza una temperatura a la cual las fases líquida y sólida están en equilibrio, y se mantiene constante hasta llegar al punto D, donde ha solidificado. El escalón horizontal C-D, se debe a que el calor de fusión es liberado de manera que la temperatura se mantiene constante en toda la masa que se ha solidificado. A partir del punto D nuevamente desciende la temperatura. Si la velocidad de enfriamiento es rápida el proceso seguirá una línea como la marcada en rayas. En el caso particular de los metales, el sólido es cristalino, es decir, que durante la solidificación los átomos se fijan en posiciones perfectamente definidas.

Terminada la solidificación, el sólido continuará enfriándose a una cierta velocidad que dependerá de cómo se realiza el proceso y al cabo de un cierto tiempo habrá llegado a una temperatura como la del medio ambiente. El hierro no tiene una curva tan simple, sino que presenta la posibilidad de cristalizar en distintos sistemas cristalinos, a medida que va descendiendo de temperatura (alotropía).

En el esquema siguiente se representa la curva de enfriamiento del hierro puro. Supongamos tener hierro líquido a una cierta temperatura, lo dejamos enfriar y baja la temperatura hasta un cierto nivel de 1530°C en que solidifica y a su vez cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo