UNIDAD 1
INTRODUCCION
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
metallurgy”, A. H. Cottrell 1967
to
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.
Arqueometalurgia
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.
Lista con los principales hitos minero-metalúrgicos (y tecnológicos asociados)
de la humanidad:
• Era de Piedra
• Era del Cobre:
(Paleolítico, Mesolítico, Neolítico)
6000 A.C. (comienzo).
• Era del Bronce:
• Era del Hierro:
• Invención de la Pólvora
2500 A.C (comienzo).
1000 A.C. (comienzo).
• Era del Carbón:
• Revolución Industrial:
1600 D.C. (comienzo).
1750-1850 D.C.
• Era del Petróleo:
• Era Eléctrica:
• Era Atómica:
1850 D.C. (comienzo).
1875 D.C. (comienzo).
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)
Ejemplos de trabajos:
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.
Trabajos para exponer
Según su uso, los materiales se clasifican en:
Metales
Semiconductores
Compuestos
Cerámica
Polímeros
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.
Tabla periódica de los elementos
Aceros (Fe, C, Ni, Cu..)
Metales ferrosos
Fundiciones (Fe, Si, C, Mn..)
Aluminio y sus aleaciones
Cobre y sus aleaciones
Metales no ferrosos
Magnesio y sus aleaciones
Níquel y aleaciones base níquel
Aleaciones de zinc, plomo y estaño
Titanio y aleaciones de titanio
Usos
Aviones
Automóviles
Conductores de
electricidad
Cascos de Barco
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
Tabla periódica de los elementos que forman compuestos cerámicos
Tipos de materiales cerámicos
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.
Tabla periódica donde se indican los elementos asociados a los
principales polímeros comerciales
La polimerización se
produce
cuando
las
moléculas
pequeñas
llamadas monómeros, se
combinan para producir
moléculas más largas o
polímeros.
Según sus aplicación y su comportamiento a temperatura, se
clasifican en:
Termoplásticos
Termoestables
Elastómeros
Elastómeros
Polímeros (termoplásticos o termoestables, con pocos enlaces cruzados)
que tienen una deformación elástica mayor al 200%.
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
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.
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
Para ingeniería, los materiales compuestos más
importantes son:
-
Plásticos reforzados con fibras
-
Hormigón
-
Asfalto
-
Madera
Materiales compuestos de matriz metálica y matriz
cerámica
-
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.
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
Tabla periódica donde se indica los elementos semiconductores y los
elementos que forman compuestos semiconductores (columnas III/V y II/VI)
Estructura atómica y enlaces
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
Estructura atómica y enlaces
Cristalinos
Disposición geométrica de los átomos
Amorfos
Propiedades
Interacciones entre átomos y moléculas
Estructura atómica
Propiedades físicas
- conductividad eléctrica
- propiedades magnéticas
- características térmicas y
elásticas
Disposición geométrica de los átomos
SiO2 cristalino o cuarzo
SiO2 amorfo o vidrio
Enlace químico
Fuerza entre los átomos que los
mantiene unidos en las moléculas.
Cuando
dos
acercan
lo
o
más
átomos
suficiente,
se
puede
producirse una fuerza de atracción
entre los electrones de los átomos
individuales y el núcleo de otro u otros
átomos.
Si
esta
suficientemente
fuerza
grande
es
lo
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.
REGLA DEL OCTETO
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
Metálicos --------- Covalente ----------- iónico
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
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
Las propiedades de las sustancias dependen en gran medida
de la naturaleza de los enlaces que unen sus átomos
Enlace Metálico
Características:
-Alta conductividad térmica y
eléctrica
-Alta ductilidad
-Opacos a la luz visible
Cuando se aplica voltaje a un metal, los electrones se mueven
con facilidad y conducen la corriente
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
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
Enlace Covalente
Características (sólidos):
-Alto punto de fusión
-No conductor
-Alta dureza
-Frágiles
Algunos átomos forman
nuevas moléculas por
medio de enlaces
covalentes, compartiendo
los electrones de sus
orbitales más externos
Representación esquemática de
Representación esquemática
de una molécula de sílice
enlace covalente de una molécula
de metano (CH4).
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
Enlace iónico
Características:
-Temperatura de fusión y ebullición altas
-Alta dureza
-No conductores de la electricidad
-Generalmente solubles en agua
Cuando se aplica un voltaje a un material iónico, se deben mover
los iones completos para que la corriente pueda pasar.
Comparación entre el comportamiento de un sólido metálico y
otro iónico cuando se someten a una fuerza externa
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.
ENLACES DE VAN DER WAALS
d+
d-
C O
d-
C O
d+
- +- -H
d+
O
H
d+
d-
- - + - -
d-
Entre dipolos permanentes
(moléculas polares)
Entre dipolos instantáneos
(ej.: Gases nobles)
H
O
H
d+
d-
Entre dipolos inducidos
(ej.: moléculas apolares en agua)
En el PVC (cloruro de polivinilo) las cadenas están unidas por
enlaces de van der Waals
TIPO DE SÓLIDO
PARTÍCULAS EN
NODOS DE LA RED
FUERZAS DE UNIÓN
ENTRE PARTÍCULAS
PROPIEDADES
METÁLICO
Na
IÓNICO
NaCl
MOLECULAR
H2O
COVALENTE
MACROMOLECULAR
SiO2
RESTOS ATÓMICOS
(NÚCLEOS+CORTEZA
ELECTRÓNICA
INTERNA) RODEADOS
DE UNA NUBE
ELECTRÓNICA
ANIONES Y
CATIONES
MOLÉCULAS O
ÁTOMOS
INDIVIDUALES
(GASES
NOBLES)
ÁTOMOS
ENLACE METÁLICO
(ORBITALES
MOLECULARES
DESLOCALIZADOS)
ELECTROSTÁTICAS
FUERZAS DE VAN
DER WAALS Y/O
PUENTES DE
HIDRÓGENO
ENLACE COVALENTE
SÓLIDOS DE
BLANDOS A DUROS
SÓLIDOS DUROS
SÓLIDOS BLANDOS
SÓLIDOS MUY
DUROS
QUEBRADIZOS
MALOS
CONDUCTORES
CONDUCTORES DE
LA ELECTRICIDAD Y
EL CALOR
PUNTO DE FUSIÓN
VARIABLE, AUNQUE
ALTO EN GENERAL
MALOS
CONDUCTORES EN
SÓLIDO,
CONDUCTORES DE
LA ELECTRICIDAD
FUNDIDOS O EN
DISOLUCIÓN
PUNTOS DE FUSIÓN
ALTOS
PUNTOS DE FUSIÓN
BAJOS EN GENERAL:
UNA GRAN PARTE
SON LÍQUIDOS O
GASES EN
CONDICIONES
NORMALES
MALOS
CONDUCTORES, EN
GENERAL
PUNTOS DE FUSIÓN
ALTOS
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
Descargar

Diapositiva 1 - METALURGIA-UDA