Tema 2: Estructura de la Materia.

1. Microestuctura de los materiales.

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

3. Enlaces interatómicos primarios y secundarios.

4. Microestructuras cristalina y no cristalinas.

5. Sólidos monofásicos y polifásicos: diagramas de fase.

6. Materiales compuestos.MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Curso 2007-2008. Escuela Técnica Superior de Arquit ectura.Profesor Gonzalo Barluenga Badiola

Objetivos Docentes del Tema 2:

• “Conocer la microestructura de los materiales que se utilizan en construcción.”

• “Conocer las diferentes escalas de observación y las tipologías de los materiales derivadas de su estructura.”

• “Conocer los principios básicos de la Ciencia de Materiales.”

Ciencia de Materiales

• Definición:

• “Es la Ciencia que estudia la estructura, propiedades y características de los Materiales.”

• Relaciona la estructura del Material Natural o Artificial (Procesado) con sus Propiedades.

• Muestra a la Ingeniería y la Arquitectura los Materiales adecuados a las necesidades.

Microestuctura de los materiales.

• 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.

Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica.

• Escala Tecnológica: se observa el material en su conjunto (macroscópica). Se aprecian las propiedades organolépticas y tecnológicas

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

• Escala atómica: Se estudia la matera a niveles de átomo y organización molecular. Se distinguen las fuerzas electromagnéticas (atómicas).

Escala Tecnológica

Escalas de observación: tecnológica, microestructural y atómica.

Escala Atómica Escala Microestructural

Estructura metálica

Estructura de la madera

El átomo como unidad básica.

• Los átomos son los bloques fundamentales que constituyen los materiales. Está constituido por un núcleo y una corteza electrónica.

• Las sustancias puras están constituidas por átomos iguales (elementos).

• Los elementos químicos se diferencian por el número de cargas positivas o negativas que tienen.

El átomo como unidad básica.

• Los elementos se designan por su símbolo químico.

• La electronegatividad cuantifica la capacidad de los átomos de atraer electrones.

Tabla Periódica de los Elementos Químicos

El átomo como unidad básica.

• 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.

Enlaces interatómicos primarios y secundarios.

• Los átomos se unen entre sí mediante fuerzas electromagnéticas, llamadas Enlaces químicos.

• Las agrupaciones de átomos se llaman moléculas.

• Tipos de enlaces químicos:

Primarios (fuertes)

Secundarios (débiles)

Metálico

Covalente

Iónico

Fuerzas de Van der Waals

Puentes de hidrógeno

Mixtos

Características derivadas del enlace iónico

• Anisótropos (propiedades diferentes en cada dirección)

• Densos (depende del grado de empaquetamiento).

• Solubles en disolventes polares (agua).

• Físicas

• Mecánicas

Aislantes eléctricos (dieléctricos)

Incombustibles

Alta inercia térmica

Bajo coeficiente de dilatación

Duros

Frágiles

Alta resistencia a compresión

Características derivadas del enlace covalente (con enlaces secundarios como los polímeros)

• Baja Densidad (depende del empaquetamiento).

• Buena resistencia el agua.

• Se degradan con el tiempo (envejecimiento).

• Físicas

• Mecánicas

Aislantes eléctricos (dieléctricos)

Combustibles

Aislantes térmicos

Alto coeficiente de dilatación

Flexibles

Dúctiles

Dependen de la temperatura

Características derivadas del enlace metálico

• 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

Estados de la Materia.

• La materia se manifiesta en diferentes estados a una temperatura y presión determinados:

Sólido: forma y volumen definidos. Estructura ordenada.

Vítreo: forma y volumen definidos. Estructura amorfa.

Líquido: forma variable y volumen definido. Estructura desordenada.

Gas: forma y volumen variables. Estructura caótica.

Microestructura de los materiales.

• La microestructura de los materiales sólidos se puede ser de los siguientes tipos:

• Según su orden:

• Según su composición:Monofásicas: un único componente.

Polifásicas: dos o más componentes.

Cristalino: ordenado.

Amorfo: desordenado

Microestructuras cristalina y no cristalinas.

Microestructura:

(a)Cristalina

(b) no cristalina

•El orden cristalino es la forma de organización básica.

•Existe un orden elemental (celda unitaria) que se repite, según 14 tipos de redes cristalinas (Redes de Bravais) .

Microestructura cristalina y no cristalinas.

• Las Materiales cristalinos pueden estar formados por un solo cristal (monocristalino) o muchos (policristalino).

• Las estructuras amorfas pueden ser vítreas o poliméricas.

• Las estructuras cristalinas no son perfectas:

“Existen Defectos que modifican sus propiedades.”

Microestructura cristalina (cobre)

Defectos en sólidos cristalinos.

• 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)

Defecto lineal:Dislocación en un material de composición ULaO2.

Defecto extenso:Macla en un óxido mixto de uranio y lantano.

Microscopio TEM (transmisión electrónica)

Defectos puntuales• 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 o por 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

Vacancia Intersticial Sustitución

Sustitución Intersticial + vacancia Vacancia doble

Defectos lineales (Dislocaciones)• Imperfecciones o irregularidades lineales en una red

ideal o perfecta.

• Origen: proceso de solidificación o proceso de moldeado.

• Tipos:

De borde: hay un plano de átomos adicional

Mixta

De tornillo: por cizalladura del cristal

Defectos lineales (Dislocaciones)

Defecto de borde

Defecto de tornillo

Deslizamiento de las Dislocaciones1. 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

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

2. El deslizamiento proporciona ductilidad al material (facilidad de deformación). De no existir deslizamiento, 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.

Defectos superficiales

• Fronteras superficiales, interfases o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con distintas orientaciones (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

Microestructura cristalina (metales)

Características derivadas de los defectos

• 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.

Sólidos monofásicos y polifásicos.

• 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.

• Se llama FASEa cada una de las sustancias que se distinguen en una dispersión.

• El Material formado por una fase se llama monofásicou homogéneo.

• El Material formado por varias fases se llama polifásicoo heterogéneo.

Sólidos polifásicos.

• 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 polifásicos (granito gris perla)

Diagramas de fase.

• Representa las fases y composición existentes en un sistema polifásico, a una temperatura determinada.

• Se utilizan para obtener aleaciones metálicas en procesos industriales (metalurgia y siderurgia).

Diagrama de fases binario (dos fases)

Materiales Compuestos.

• Constituidos por diferentes materiales, elementos o componentes, que no forman sistema, pero que muestran efectos conjuntos a escala macroscópica.

• Se diseñan para mejorar el comportamiento físico o mecánico de los materiales homogéneos.

• La combinación de materiales produce un aumento de las propiedades del conjunto, aunque se distinguen claramente cada uno de ellos.

• Ejemplos: hormigón armado, paneles laminados, vidrios de seguridad, etc.

Hormigón armado

Vidrio Laminado

•Compuesto por dos o más láminas de vidrio unidas por materiales adhesivos.

•La rotura de un vidrio no provoca el colapso del material.

•Buen comportamiento frente a impacto (Vidrio de seguridad).

Laminados de madera

Panel sándwich

Tema 2: Estructura de la Materia.

1. Microestuctura de los materiales.

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

3. Enlaces interatómicos primarios y secundarios.

4. Microestructuras cristalina y no cristalinas.

5. Sólidos monofásicos y polifásicos: diagramas de fase.

6. Materiales compuestos.

Bibliografía de consulta recomendada. Tema 2

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

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