Tema 1

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EL ÁTOMO
Podemosconsiderar el átomo como una estructura eléctrica formada por la agrupación de
partículas elementales. Diferenciamos:
•El núcleo, de carga positiva y con la masa atómica concentrada en él.
•La corteza, formada por electrones, que consideramos exenta de masa.
El núcleo está formado por protonesy neutrones (nucleones);
los protonesson los que aportan la carga y su número coincide con el
número atómico, Z.
Respecto a la composición del núcleo los átomos se denominan:
•Isótopos: átomosque tienen el mismo número de protonesy distinto de neutrones.
•Isótonos: átomosque tienen el mismo número de neutrones y distinto de protones.
•Isóbaros:átomos que tienen el mismo número másico.

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Podemosadmitir en la corteza del átomo la existencia de niveles energéticos y podemos
considerar a los electrones como entes corpusculares quepueden ocuparlos. Los saltos
electrónicos de un nivel superior a uno inferior o viceversa se traducen en absorciones o
emisiones de energía.
La ordenación de los elementos según su configuración electrónica da origen al sistema
periódico de los elementos.

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FUERZAS Y ENERGÍAS DE INTERACCIÓN ENTRE ÁTOMOS
Entre los átomos contiguosse desarrollan fuerzas:
- De atracción por la naturaleza del enlace o por las atracciones electrostáticas de cada
núcleo atómico y la nubeelectrónica del otro.
- De repulsión, debidas a la acción electrostática entre los núcleos atómicos y a la nubes
electrónicas entre sí.
La energía del enlace es la energía precisa para separar los átomos o moléculas, es decir
destruir el enlace.
Como consecuencia de las fuerzas interatómicas, los átomos adoptan una posición de
equilibrio en función de su temperatura, fundamentalmentey de su presión si son gases.
La energía del enlace caracteriza el tipo de enlace atómico y, varía de unasustancia a otra
y del estado físico en que se encuentre.
Para muchosátomos la distancia de equilibrio es 3.10-10
m = 3 Ǻ
una vez conseguidaesa posición los átomos contrarrestan los
intentos de separación con estas fuerzas de atracción o repulsión,

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ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Y REACTIVIDAD QUÍMICA
Las propiedadesquímicas de los átomos de los elementos dependen principalmente de
la reactividad química de sus electrones mas externos.
Elementos electronegativos y electropositivos.
- Los elementos electropositivos son metálicos por naturaleza y ceden electrones en las
reacciones químicas para produciriones positivoso cationes. El número de electrones
cedidos por un átomo electropositivo en una reacción es representado por un número de
oxidación positivo.
- Los elementos electronegativosson no metálicos y aceptan electrones en las
reacciones químicas para produciriones negativoso aniones. El número de electrones
aceptados porun átomo electronegativo de un elemento se representa por un número de
oxidación negativo.
Los elementos mas electropositivos se encuentran en los grupos1Ay 2Ade la Tabla
periódica.
Los elementos mas electronegativos se encuentran en los grupos6A y 7Ade la Tabla
periódica.
Algunoselementos que se encuentran entre los grupos4Ay 7A de la tabla periódica
pueden comportarse de unamanera electropositiva o electronegativa.

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Electronegatividad.
Se define como la capacidad de un átomo
para atraer electrones hacia sí. La tendencia
de un átomo a mostrar un comportamiento
electronegativo o electropositivo puede
cuantificarse asignando a cada elemento un
número de electronegatividad quese mide
en una escala desde 0 hasta 4,1.
El concepto de electronegatividad ayuda a
comprenderel comportamiento enlazante de
los elementos.

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TIPOS DE ENLACES ATÓMICOS Y MOLECULARES
Los átomos en estado enlazado se encuentran en
condicionesenergéticas mas estables que cuando están
libres.
- En los enlaces atómicos , intervienen grandes fuerzas
interatómicas, pueden ser:
•Enlaces iónicos. En éstos se ponen en juego fuerzas
interatómicas debidas a la transferencia de un electrón de
un átomo a otro. Es un enlace relativamente fuerte.
•Enlaces covalentes. Corresponden a fuerzas
interatómicas creadas porla compartición de electrones.
•Enlaces metálicos. Involucran fuerzas interatómicas
creadas mediante la compartición de electrones
deslocalizados para formar un enlace fuerte.
- Los enlaces moleculares pueden ser:
•Enlaces de dipolo permanente. Corresponden aenlaces
relativamente débiles.
•Enlaces de dipolo inducido. Corresponden aenlaces
muy débiles.

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ESTRUCTURA CRISTALINA
La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos,
moléculas e iones en el espacio, así como las fuerzas de interconexión entre ellos. Si esta
disposición espacial se repite , el sólido tiene estructura cristalina. Losmetales, aleaciones
y determinados materiales cerámicos tienen estructura cristalina.
Una estructura cristalina o la red espacial que la representa, se puededefinir como una
repetición en el espacio de celdas unitarias. El volumen y la orientación espacial de cada
celda unitaria viene caracterizada por tres vectores a, b, c, que convergen en un punto
común y tres ángulos, α, β y γ

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SISTEMAS CRISTALINOS
Casi todoslos metales elementales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales:
•BBC ó CC. Cúbica centrada en el cuerpo.
•FCC ó CCC. Cúbica centrada en las caras.
•HCP. Hexagonalcompacta.

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ALOTROPÍA
Dependiendo delas condicionesde presión y temperatura, un mismo elemento o
compuesto químico presenta diferentes estructuras cristalinas. A estos diferentes estados
los denominamospolimórficoso alotrópicos.
Diferentes materiales metálicos presentan transformaciones polimórficas a presión
atmosférica y elevadas temperaturas. Por ejemplo: Fe, Co, Ti.

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PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
Definen el comportamiento de los materiales en su utilización industrial, las más
importante son:
•Elasticidad: capacidad de los materiales de recuperar la forma primitiva cuando cesa la
carga que los deforma.
•Plasticidad:capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones
permanentes, sin llegar a la rotura. Cuando esta deformación se presenta en forma de
láminas, se denominamaleabilidad, y si se presenta en forma de filamentos, ductilidad.
•Cohesión:es la resistencia que ofrecen los átomosa separarse.
•Dureza: es la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados.
•Tenacidad:es la capacidad de resistencia a la rotura porla acción de fuerzas exteriores.
•Fragilidad:es la propiedad opuestaa la tenacidad.
•Resistencia a la fatiga:es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos
repetitivos.
•Resiliencia: es la energía absorbida en una rotura porimpacto.

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CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE ENSAYOS
Atendiendo ala rigurosidad de su ejecución:
•Ensayostécnicos de control. Se realizan durante el proceso productivo. Secaracterizan
por su rapidez y simplicidad.
•Ensayoscientíficos. Se realizan para investigar características técnicas de nuevos
materiales. Se caracterizan por su gran precisión.
Atendiendo a la forma de realizar los ensayos.
•Ensayosdestructivos. Losmateriales sometidos a este tipo de pruebas ven alterada su
forma y presentación inicial.
•Ensayosno destructivos. Los materiales sometidosa este tipo de pruebas no ven
alterada su forma y presentación inicial.
Atendiendo a los métodosempleados en la determinación de las propiedades:
•Ensayosquímicos. Permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa
del material, así como su comportamiento ante los agentes químicos.
•Ensayosmetalográficos. Estudian la estructura del material, que permite conocer los
tratamientos térmicos y mecánicos queha sufrido el mismo.

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•Ensayosfísicos y físico-químicos. Determinan las propiedadesfísicas (densidad, punto
de fusión, calor específico, conductividad térmica y eléctrica, etc.), así como las
imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas.
•Ensayosmecánicos. Determinan las características elásticas y de resistencia de los
materiales sometidos a deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad.
Ensayosestáticos de tracción, compresión, cizalladura, flexión y torsión; ensayos de
choqueo dinámicos ensayos de fatiga y fluencia; ensayos tecnológicosde plegado,
doblado, embutición, forjado, etcétera.

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DEFORMACIONES ELÁSTICAS Y PLÁSTICAS
Si un material deformado mediante una fuerza vuelvea sus dimensionesoriginales
cuando la fuerza deja de actuar, se ha producido unadeformación elástica.
Si el material se deforma hasta el extremo de no poderrecuperar sus medidas
originales cuando cesa la causa de la deformación se ha producido unadeformación
plástica.
TENSIÓN Y DEFORMACIÓN
Consideramosuna varilla cilíndrica de longitud l0 y
una sección So0 sometida a una tensión uniaxial F de
tracción. Definimos tensión σ
La unidad de tensión en el
Sistema internacional es
1N/m2
= 1 Pascal
La deformación será:

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ENSAYO DE TRACCIÓN (UNE 7-474)
Consiste en someter a una probetade forma y dimensiones normalizadas, a un sistema de
fuerzas exteriores en dirección a su eje longitudinalhasta romperla.
Las probetas están reguladas porlas normas:
•UNE 7282, preparación
•UNE 7262-73,tolerancias en su mecanizado
•UNE 7010, recomienda:
S = 150 mm2
D = 13,8 mm l0 = 100 mm
Análisis de un diagrama de tracción.
Representamos en ordenadaslas fuerzas de
tracción aplicadas (F) y en abscisas Los
alargamientos producidos(Δl). Se observa:
-Una primera zona de deformaciones
proporcionalesa las tensiones.
-Una segundazona dondepequeñasvariaciones
de tensiones generan grandes deformaciones.

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Más práctica es una curva que relacione las tensiones de una sección trasversal con las
deformaciones relativas a la longitud inicial, llamadas alargamientos unitarios.
Eje de abscisas: ε = Δl / l0 (Alargamiento unitario)
Eje de ordenadas: σ = F / S0 (Tensión en una sección
trasversal cuando se aplica una fuerza F)
Podemosdistinguirdos zonas fundamentales:
•Zona elástica (OE). Se caracteriza porqueal cesar
las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su
longitud inicial.
•Zona plástica (ES). En ella el material ha sufrido
deformaciones permanentes.
Dentro de la zona elástica se distinguen otras doszonas:
•Zona de proporcionalidad (OP). En ella existe una proporcionalidad entre las tensiones
aplicadas y los alargamientos producidos. En ésta zona deben trabajar los materiales.
•Zona no proporcional(PE). En ella el material se comportade forma elástica, pero las
tensiones y deformaciones no están relacionadas linealmente. No es unazona aconsejable
de trabajo para los materiales.

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Dentro de la zona plástica se distinguen otras doszonas:
•Zona límite de rotura (ER). Es la zona plástica dondelas deformaciones son
permanentes. En ella pequeñas variaciones de tensión producen grandes alargamientos. El
límite es el punto R, llamado límite de rotura, y la tensión aplicada en dicho punto es la
tensión de rotura.
•Zona de rotura (RS). Superado el punto R, el material sigue alargándose hasta que se
producela rotura física en el punto S.
Este comportamiento se puedegeneralizar
en los materiales a pesar de que existen
algunas excepciones entre las que se
encuentra el acero, que presenta una
peculiaridad consistente en la existencia de
una zona localizada porencima del límite
elástico dondese produceun alargamiento
muy rápido sin que varíe la tensión
aplicada, fenómeno conocido como
fluencia. En el punto F encontramos el
límite de fluencia y la tensión de fluencia.
Diagrama detracción del acero

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LEY DE HOOKE
Las deformaciones producidasen un elemento resistente
son proporcionalesa las tensiones que las producen.
Tensión / Deformación = tg α = constante
Aplicación de la Ley de Hooke al ensayo
de tracción
Aplicable a la zona de proporcionalidad (OP)
•En el diagrama (F – Δl) tenemos:
F / Δl = constante, lo que implica que tg =α1= constante
•Si se aplica al diagrama (σ – ε) se obtiene:
σ / ε = constante = E (módulo elástico o deYoung), es un
parámetro característico de cada material.
Sustituyendo en E = σ / ε σ = F / S0 y ε = Δl / l0 tenemos:
La ecuación fundamentaldela tracción,
aplicable solo en la zona de proporcionalidad.

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TENSIONES MÁXIMAS DE TRABAJO
La normativa establece unatensión máxima de trabajo (σt) que definimos como el límite
de carga al quepodemossometer una pieza o elemento simple de estructura. Este valor es
inferior a la tensión correspondiente al límite de proporcionalidad.Teniendoen cuenta los
valores de las tensiones límite de fluencia (σf) y límite de rotura (σr) , y considerado el
coeficiente de seguridad (n), tenemos: σt = σf / n ó σt = σr / n dependerán de la
utilización de la pieza y de la normativa de cada país.

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ENSAYOS DE DUREZA
Dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. La
propiedad mecánica que se determina por los ensayos de dureza es la cohesión. La dureza
se relaciona de modo muy estrecho con la resistencia al desgaste.
Ensayo Brinell (UNE 7-422-85)
Consiste en comprimir unabola de acero templado, de un diámetro determinado, contra
el material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado.
HB = Dureza Brinell
F = Carga aplicada ( kg)
S = Área del casquete (mm2
)
D = Diámetro bola (mm)
f = Profundidad (mm)

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Determinamos f, a partir de los diámetros
de la bola y de la huella
Finalmente nos
quedará:
Generalmente la dureza Brinell se obtiene mediante tablas, dondeconociendo el
diámetro de la huella se obtiene directamente el valor de la dureza. Los resultados son
fiables solamente en materiales de perfil grueso, superior a 6 mm.
Respecto al tiempo de aplicación de cargas, varían entre 30 segundospara los aceros
y 3 minutospara materiales más blandos.

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Ensayo Vickers (UNE 7-423-84)
Para este ensayo el penetrador que se utiliza es una pirámide regular de base cuadrada,
cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º. Se recomienda utilizar éste ensayo para
durezas superiores a 500 HB.
Presenta ventajas respecto al método Brinell, porquese puede utilizar tanto para
materiales blandoscomo duros, y además los espesores de las piezas pueden ser muy
pequeños(hasta 0,05mm).
Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120 kg, lo normalson 30 kg.

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Ensayo Rockwell (UNE 7-424-89)
El método Brinell no permite medir la dureza de aceros templados porquese deforman
las bolas. Para evitar esto se utiliza la máquinaRockwell. Es un ensayo rápido y fácil de
realizar pero menos preciso que los anteriores.
El penetrador consiste en una bola para materiales blandos(HRB), o un cono de
diamante de 120º para materiales duros (HRC).
Normaspara la realización del ensayo Rockwell (UNE 7-424-89)
1. Se aplica unacarga de 10kg al penetrador (cono o bola), queproduceuna huella h1,
que se toma como referencia poniendo el comparadora cero.
2. Se aumentan las cargas en 90 kg para la bola y 140 para el cono, manteniendo la
carga entre 3 y 6 segundos, y se mide la profundidad h2.
3.- Se retiran las cargas adicionales. El penetrador se recupera y ascenderá a la posición
h1+e.
La dureza Rockwell se obtendrácomo diferencia respecto a dosnúmeros de referencia.
Dureza Rockwellcon penetrador bola: HRB = 130 – e
Dureza Rockwellcon penetrador cono: HRC = 100 – e

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ENSAYO DINÁMICO POR CHOQUE. ENSAYO DE RESILIENCIA
La finalidad del ensayo dinámico porchoquees la determinación de la energía
absorbida poruna probeta de determinadas dimensiones, al provocar la ruptura de un
solo golpe. La máquina más utilizada que mide la resiliencia es el péndulo Charpy
Resiliencia es la energía consumidaen la rotura de la probeta, y valora de forma
aproximadala tenacidad, quees la capacidad de resistencia al choque.
La norma UNE 7-475-92 rige el ensayo.
Las probetas suelen tener 55 mm de longitud y una sección cuadrada de 10 mm de lado.
La resiliencia se obtienecomo:
Ep = Energíaabsorbida en la rotura
S = Sección de la probeta
La resiliencia se expresa en julios / cm2

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ENSAYOS DE FATIGA
Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.
Leyes fundamentales de la fatiga:
1. Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de
rotura, e incluso su límite elástico, si el esfuerzo se repite el número suficiente de
veces.
2. Para que la rotura no tenga lugar, con independenciadel número de ciclos, es
necesario quela diferencia entre la carga máxima y mínima sea inferior a un valor,
llamado límite de fatiga.
Se distinguen tres fases:
-Incubación a partir de la fisura
interna.
-Maduración progresiva.
-Rotura efectiva.

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ENSAYOS TECNOLÓGICOS
Sirven para estudiar el comportamiento del material ante un fin al que se destina.
Reproducelas condiciones prácticas en las que se encontrará el material
Ensayo de plegado.
Sirve para determinar las características de plasticidad de los materiales metálicos. Se
observa si aparecen grietas en la parte exterior de la curva.
El ensayo se puede realizar en frío o en caliente según condicionesnormalizadas.

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ENSAYO DE EMBUTICIÓN
Consiste en presionar un vástago sobre la chapa hasta que se producela primera
grieta. Se mide la penetración del vástago hasta la aparición de la primera grieta. Es
uno de los más importantes para las planchas.