UNIDAD 1 INTRODUCCION. La metalurgia es una ciencia nueva ¿Quién lo habría creído unos años...
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UNIDAD 1
INTRODUCCION
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La metalurgia es una ciencia nueva ¿Quién lo habría creído unos años atrás? Desde siempre la metalurgia había sido considerada como una simple técnica peligrosa y sucia, indigna de los intelectuales y de las refinadas elegancias. Sin embargo Vulcano (efesto) tuerto, cojo, deforme y repulsivo, era el esposo de Venus (afrodita). Los griegos y romanos rendían un gran homenaje al dios artesano del fuego y del metal.La época moderna ha puesto a la Metalurgia en el sitial que corresponde entre las demás ciencias. Hoy en día, Vulcano vestiría de bata blanca.*
*Traducido del prólogo “Introduction to metallurgy”, A. H. Cottrell 1967
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A la luz de los conocimientos metalúrgicos actuales, y habida cuenta de los muchos problemas que quedan por resolver, resulta sorprendente que los antiguos fuesen capaces de reducir los minerales, afinar los metales resultantes y colarlos en forma de objetos útiles. Los procesos y técnicas metalúrgicas tienen muchos años de antigüedad; LA METALURGIA ES UN ARTE ANTIGUO, PERO UNA CIENCIA RELATIVAMENTE NUEVA.
*Introducción “Metalurgia Aplicada”, Malcolm S Burton.
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Arqueometalurgia
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El hombre ha sido minero desde los albores de la humanidad. Primero a través
de las industrias líticas: fragmentos de rocas o minerales más o menos
trabajados para su uso como herramientas o armas; luego continuó con los
metales, extrayéndolos desde los minerales (Era del Cobre, Era del Bronce, Era
del Hierro), refinándolos y combinándolos en aleaciones a medida que
progresaba, de paso, inventando la metalurgia.
Reconstrucción de una antigua operación
de lixiviado en pila para la obtención de
cobre, en Chipre hacia el siglo II D.C. 1:
Cubierta impermeable; 2: pila de de rocas
mineralizadas fragmentadas; 3: capa de
guijarros (capa permeable); 4: techo y base
de la galería de material no mineralizado
impermeable; 5: estalactitas de vitriolo
(CuSO4); 6: ánforas para recolectar las
soluciones percolantes; 7: minero.
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Lista con los principales hitos minero-metalúrgicos (y tecnológicos asociados)
de la humanidad:
• Era de Piedra (Paleolítico, Mesolítico, Neolítico)
• Era del Cobre: 6000 A.C. (comienzo).
• Era del Bronce: 2500 A.C (comienzo).
• Era del Hierro: 1000 A.C. (comienzo).
• Invención de la Pólvora
• Era del Carbón: 1600 D.C. (comienzo).
• Revolución Industrial: 1750-1850 D.C.
• Era del Petróleo: 1850 D.C. (comienzo).
• Era Eléctrica: 1875 D.C. (comienzo).
• Era Atómica: 1945 D.C. (comienzo).
If it isn't grown it has to be mined
(si no se cultiva, entonces hay que extraerlo de una mina)
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ESTUDIO ARQUEOMETALÚRGICO DE CLAVOS PERTENECIENTES A EMBARCACIONES BALLENERAS HALLADAS EN LA ANTARTIDA ARGENTINA.
Hernán Lorusso(1), Hernán G. Svoboda(1,2), Horacio M. De Rosa(1)
(1) Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniería, Dpto. Ing. Mecánica, Paseo Colón 850, Buenos Aires,Argentina.(2) Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniería, Laboratorio de materiales y Estructuras, Las Heras 2214, Buenos Aires, Argentina.
Ejemplos de trabajos:
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Trabajos para exponer
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Metales
Cerámica Polímeros
Compuestos
Semiconductores
Según su uso, los materiales se clasifican en:
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Materiales metálicos
Sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos
metálicos (aleaciones)
Los átomos están dispuestos de manera ordenada
Buenos conductores eléctricos y térmicos
Resistentes y dúctiles a temperatura ambiente (pueden ser conformados
con facilidad)
Son opacos a la luz visible
La superficie pulida tiene apariencia lustrosa
Ej.: Acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre, níquel,
etc.
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Tabla periódica de los elementos
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Metales ferrosos
Metales no ferrosos
Aceros (Fe, C, Ni, Cu..)
Fundiciones (Fe, Si, C, Mn..)
Aluminio y sus aleaciones
Cobre y sus aleaciones
Magnesio y sus aleaciones
Níquel y aleaciones base níquel
Aleaciones de zinc, plomo y estaño
Titanio y aleaciones de titanio
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Usos
Aviones
Automóviles
Cascos de Barco Conductores de electricidad
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Materiales cerámicos
Materiales inorgánicos constituidos por elementos metálicos y no
metálicos cohesionados químicamente
Cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos
La mayoría de los cerámicos tienen elevada dureza y alta resistencia a la
compresión
Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto eléctrica como
térmica.
Son frágiles, tiene escasa resistencia al impacto
Bajo peso, alta resistencia al calos y al desgaste, poca fricción
Propiedades aislantes
Ejemplo: óxidos, nitruros, carburos, minerales de arcilla, cemento, vidrio
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Tabla periódica de los elementos que forman compuestos cerámicos
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Tipos de materiales cerámicos
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Polímeros
Los polímeros son materiales que van desde la familia de los plásticos al caucho
Se caracterizan por tener baja densidad y extraordinaria flexibilidad
Poseen una resistencia eléctrica y térmica elevada.
Tienen buena relación resistencia peso.
No se recomiendan para aplicaciones a alta temperatura.
Muchos polímeros tienen muy buena resistencia a las sustancias corrosivas.
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Tabla periódica donde se indican los elementos asociados a los principales polímeros comerciales
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La polimerización se
produce cuando las
moléculas pequeñas
llamadas monómeros, se
combinan para producir
moléculas más largas o
polímeros.
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Según sus aplicación y su comportamiento a temperatura, se
clasifican en:
Termoplásticos
Termoestables
Elastómeros
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Polímeros (termoplásticos o termoestables, con pocos enlaces cruzados) que tienen una deformación elástica mayor al 200%.
Elastómeros
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Materiales Compuestos
Constan de dos o mas materiales físicamente distintos y separables
mecánicamente (difieren en forma y composición química y son insolubles
entre sí)
Pueden fabricarse mezclando los distintos materiales de tal forma que la
dispersión de un material en el otro pueda hacerse de manera controlada
Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún aspecto
especifico, a las propiedades de los componentes por separado
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Con los compuestos se fabrican materiales ligeros, resistentes, dúctiles,
con resistencia a las altas temperaturas que no pueden obtenerse de otro
modo.
También se pueden fabricar herramientas de corte muy resistentes al
impacto que de otra manera serían quebradizas.
Ej.: concreto, hormigón armado, la madera contrachapada, fibra de vidrio,
etc.
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Industria Usos
aeronáutica Alas, fuselaje, tren de aterrizaje
automóviles Carrocerías, parrillas, parachoques
náutica Cascos, cubiertas, mástiles
química Recipientes de presión
deportes Cañas de pescar, palos de golf
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Para ingeniería, los materiales compuestos más importantes son:
- Plásticos reforzados con fibras
- Hormigón
- Asfalto
- Madera
- Materiales compuestos de matriz metálica y matriz cerámica
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La era de los nuevos materiales
¿De qué están hechos los coches?
Aquellos tiempos en los que el hierro y la madera eran los materiales
predominantes en la construcción de un coche han pasado a la historia. Ahora
hablamos del magnesio, del aluminio o de las fibras de carbono.
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Materiales electrónicos o semiconductores
• Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre los
conductores y los aislantes eléctricos.
• No son importantes por su volumen pero sí son extremadamente importantes
por su avanzada tecnología.
• La información hoy día se transmite por luz a través de sistemas de fibras
ópticas, los semiconductores convierten las señales eléctricas en luz y
viceversa.
• El más importante de los materiales electrónicos es el silicio puro, al que se
puede modificar para cambiar sus características eléctricas. Con estos
materiales se han podido crear fabricar los circuitos integrados que han
revolucionado la industria electrónica y de ordenadores
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Tabla periódica donde se indica los elementos semiconductores y los
elementos que forman compuestos semiconductores (columnas III/V y II/VI)
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Estructura atómica y enlaces
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La estructura de los materiales se clasifica en cinco niveles:
- Macroestructura (> 1000 nm)
- Microestructura (10 – 1000 nm)
- Nanoestructura (1 – 100 nm)
- Arreglos atómicos de corto y largo alcance
- Estructura atómica
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Propiedades
Disposición geométrica de los átomos
Interacciones entre átomos y moléculas
Estructura atómica Propiedades físicas
- conductividad eléctrica- propiedades magnéticas- características térmicas y elásticas
Cristalinos
Amorfos
Estructura atómica y enlaces
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SiO2 amorfo o vidrio
SiO2 cristalino o cuarzo
Disposición geométrica de los átomos
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Enlace químicoFuerza entre los átomos que los
mantiene unidos en las moléculas.
Cuando dos o más átomos se
acercan lo suficiente, puede
producirse una fuerza de atracción
entre los electrones de los átomos
individuales y el núcleo de otro u otros
átomos. Si esta fuerza es lo
suficientemente grande para
mantener unidos los átomos, se dice
que se ha formado un enlace químico.
Todos los enlaces químicos resultan
de la atracción simultánea de uno o
más electrones por más de un núcleo.
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Enunciada en 1916 por Gilbert Newton Lewis, dice que la tendencia de los átomos de los elementos del sistema periódico, es completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de 8 electrones tal que adquiere una configuración semejante a la de un gas noble.
1875-1946
REGLA DEL OCTETO
Metálicos --------- Covalente ----------- iónico
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La electronegatividad (Pauling) de un elemento es la capacidad que tiene un átomo de dicho elemento para atraer hacia sí los electrones, cuando forma parte de un compuesto.
Iónico (diferencia superior o igual a 1.8) Covalente (diferencia entre 1.8 y 0.4) 1901-1994
Fr
F
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Enlaces atómicos
Existen cuatro mecanismos importantes mediante los cuales los
átomos se enlazan o unen en los materiales:
• Enlace metálico• Enlace covalente• Enlace iónico
• Enlace de Van der Waals
Enlaces primarios
Enlace secundario
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Las propiedades de las sustancias dependen en gran medida de la naturaleza de los enlaces que unen sus átomos
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Enlace Metálico
Características:
-Alta conductividad térmica y eléctrica-Alta ductilidad-Opacos a la luz visible
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Cuando se aplica voltaje a un metal, los electrones se mueven con facilidad y conducen la corriente
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En los metales en estado sólido, los átomos se encuentran
empaquetados relativamente muy juntos, en una ordenación
sistemática o estructura cristalina.
a) Disposición atómica en un cristal de cobre metálico b) Diagrama
esquemático bidimensional de átomos entrelazados metálicamente
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La mayoría de los metales pueden ser deformados considerablemente sin
fracturas debido a que los átomos de metal se pueden deslizar unos sobre
los otros sin distorsionar completamente la estructura de enlace metálico
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Enlace Covalente
Características (sólidos):
-Alto punto de fusión-No conductor-Alta dureza-Frágiles
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Representación esquemática de
enlace covalente de una molécula
de metano (CH4).
Representación esquemática
de una molécula de sílice
Algunos átomos forman
nuevas moléculas por
medio de enlaces
covalentes, compartiendo
los electrones de sus
orbitales más externos
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Los átomos de carbono en el grafito están dispuestos en capas paralelas. En la capa cada átomo está enlazado a otros tres con ángulos de 120º formando hexágonos.
Estructura cubica del diamante
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Enlace iónico
Características:
-Temperatura de fusión y ebullición altas-Alta dureza -No conductores de la electricidad-Generalmente solubles en agua
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Cuando se aplica un voltaje a un material iónico, se deben mover
los iones completos para que la corriente pueda pasar.
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Comparación entre el comportamiento de un sólido metálico y
otro iónico cuando se someten a una fuerza externa
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Enlaces de Van der Waals: atracción electrostática débil que ocurre entre átomos o moléculas que están
polarizadas, es decir, en los casos en que los centros de las cargas positivas y negativas no coinciden,
originándose así un dipolo .
La molécula de agua es eléctricamente polar, debido a su estructura no alineada.
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ENLACES DE VAN DER WAALS
--
Entre dipolos inducidosEntre dipolos inducidos
(ej.: moléculas apolares en agua) (ej.: moléculas apolares en agua)
++------
------
OHH
OHH
++ --+-
C CO OEntre dipolos permanentesEntre dipolos permanentes
(moléculas polares)(moléculas polares)
+ - + -
+--
-- Entre dipolos instantáneosEntre dipolos instantáneos
(ej.: Gases nobles) (ej.: Gases nobles) + -
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En el PVC (cloruro de polivinilo) las cadenas están unidas por enlaces de van der Waals
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TIPO DE SÓLIDO
METÁLICONa
IÓNICONaCl
MOLECULARH2O
COVALENTE MACROMOLECULAR
SiO2
PARTÍCULAS ENNODOS DE LA RED
RESTOS ATÓMICOS(NÚCLEOS+CORTEZAELECTRÓNICA INTERNA) RODEADOSDE UNA NUBE ELECTRÓNICA
ANIONES Y CATIONES
MOLÉCULAS OÁTOMOS INDIVIDUALES (GASESNOBLES)
ÁTOMOS
FUERZAS DE UNIÓNENTRE PARTÍCULAS
ENLACE METÁLICO(ORBITALES MOLECULARES DESLOCALIZADOS)
ELECTROSTÁTICAS FUERZAS DE VAN DER WAALS Y/O PUENTES DE HIDRÓGENO
ENLACE COVALENTE
PROPIEDADES
SÓLIDOS DE BLANDOS A DUROS CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD Y EL CALOR PUNTO DE FUSIÓN VARIABLE, AUNQUE ALTO EN GENERAL
SÓLIDOS DUROS QUEBRADIZOS MALOS CONDUCTORES EN SÓLIDO, CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD FUNDIDOS O EN DISOLUCIÓN PUNTOS DE FUSIÓN ALTOS
SÓLIDOS BLANDOS MALOS CONDUCTORES PUNTOS DE FUSIÓN BAJOS EN GENERAL: UNA GRAN PARTE SON LÍQUIDOS O GASES EN CONDICIONES NORMALES
SÓLIDOS MUY DUROS MALOS CONDUCTORES, EN GENERAL PUNTOS DE FUSIÓN ALTOS
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Propiedades físicas y estructurales de los materiales asociados con el tipo de enlace atómico.
Propiedades Enlace iónico Enlace covalente Enlace metálico Enlace de Van der Waals
Estructurales No direccional, determina estructuras de
alta coordinación
Especialmente dirigido y numéricamente limitado, determina estructuras de baja coordinación y baja
densidad
No direccional, determina estructuras de alta coordinación y alta
densidad
Análogo al metálico
Mecánicas Resistente, cristales de gran dureza
Resistentes y de gran dureza, poca ductilidad
Resistencia variable, presentan por lo general
plasticidad
Baja resistencia, cristales blandos
Térmicas Medianamente alto punto de fusión, bajo
coeficiente de expansión, iones al
estado líquido
Alto punto de fusión, baja expansión térmica,
moléculas al estado líquido
Punto de fusión variable, gran intervalo de
temperaturas al estado líquido
Bajo punto de fusión, alto coeficiente de
expansión
Eléctricas Aisladores moderados, conducción por
transporte iónico en el estado líquido.
Aisladores en el estado sólido y líquido
Conductores por transporte electrónico
Aisladores
Ópticas y magnéticas
Absorción y otras propiedades son
características de los iones individuales
Alto índice de refracción, absorción totalmente
diferente en soluciones y/o gases
Buenos reflectores de la radiación visible
Propiedades características de las
moléculas individuales