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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 to metallurgy”, A. H. Cottrell 1967

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 (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)

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:

Trabajos para exponer

Metales

Cerámica Polímeros

Compuestos

Semiconductores

Según su uso, los materiales se clasifican en:

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

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

Usos

Aviones

Automóviles

Cascos de Barco Conductores de electricidad

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

Polímeros (termoplásticos o termoestables, con pocos enlaces cruzados) que tienen una deformación elástica mayor al 200%.

Elastómeros

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

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

SiO2 amorfo o vidrio

SiO2 cristalino o cuarzo 

Disposición geométrica de los átomos

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.

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

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

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

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

--

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) + -

En el PVC (cloruro de polivinilo) las cadenas están unidas por enlaces de van der Waals

 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

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