Ciencias De Los Materiales

Resumen Capítulo 2 Ciencias de los Materiales

Estructuras cristalinas de los materiales:

Sustancia cristalina es aquella donde las especies químicas que los constituyen se encuentran geométricamente ordenado a escala geométrica, esta ordenación interna se puede verse reflejada en elementos geométricos visibles: Sustancia definida Cristales. Si la disposición de los átomos es sólo localizada y no se repite en3 dimensiones, es material amorfo o no cristalino.

Niveles del arreglo atómico en los materiales son:

1_Gases Inertes no tienen orden en sus átomos.

2_Vapor de agua, vidrios y otros materiales, tienen un orden en una distancia muy corta.

3_Los metales y otros sólidos tienen un orden regular de los átomos que se extiende por todo el material.

Tipos de Estructuras Cristalinas:

Si los átomos o iones de un sólido están ordenado según una secuencia que se repita en el espacio, forman un sólido que tienen estructura cristalina, y estos materiales son conocidos como cristalinos o sólido cristalino.

Sistemas Cristalinos y redes de Bravais:

Bravais mostró que 14 celdas unidad estándar podrían describir todas las estrucutras retícula posible.Los estudios han demostrado que son solo 7 los tipos diferentes de celdas unidad para crear todas las redes puntuales.

_Cúbica Simple, Centrada en las caras, Centrada en el cuerpo.

_Tetragonal Simple, Tetragonal centrada en el cuerpo ,Hexagonal, Ortorrombica simple, Ortorrombica centrada en el cuerpo, Ortorrombica centrada en las bases, Ortorrombica centrada en las caras, tomboedrica, Monoclínica simple, Monoclínica Centrada en las bases, Triclinica.

Celda Unitaria: Es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red. Hay 4 tipos básicos de esta en que cada sistema cristalino podrían cristalizar y son: Sencilla, Centrada en el cuerpo, Centrada en las caras, Centrada en la base.

Principales Estructuras Cristalinas Metálicas:

Alrededor del 90% de los metales cristalizan al solidificar en 3 estrucuturas cristalinas de empaquetamiento compacto

BCC cúbica centrada en el cuerpo BCC Es.C.Cúbica de cuerpo centrado HCP hexagonal Compacta

_Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro.

_Materiales que se cristalizan a tº ambiente: hierro alfa, titanio, cromo, sodio , potasio.

_La red BCC está conformada por 2 átomos.

_Arista del cubo a= (4.R/√3)

_Esta Estructura no es totalmente compacta, ya que los átomos no ocupan todo el espacio.

_FCA DE 68 % del volumen de la celdad unidad está ocupado por átomos.

_Esta red tiene una distribución de un átomo compartido en cada vértice y de un átomo compartido en cada cara del cubo.

_El total de átomos necesarios para conformar la red de FCC son: 1 átomo por los vértices, 3 átomos compartidos por sus seis caras, en total son 4 átomos.

_Arista del cubo a= (A.R/ √2).

_El Factor de Empaquetadura es del 74%.

_Materiales metálicos que cristalizan son: Aluminio, Plomo, Plata, Platinio, Níque, Cobre.

_Cristal Mayor densidad y tamaño. _Se encuentra en cada vértice del prima hexagonal.

_Se forma por 6 átomos, tres propios de la red más uno compartido por sus dos caras y dos que comparten en los vértices de los bases.

_El FCA para la celda unitaria es de 74%.

_Materiales que se cristalizan en esta red de HCP son : Cadmio, Cinc, Magnesio, Cobalto, Circonio, Titanio, Berilio.

Densidad Factor de Empaquetamiento

_Al saber la estructura cristalina de un sólido metálico permite calcularla

ρ=n*(A/Na)/ V

Na :Nº de Avogadro 6,023*10 ^23 (àtomo /mol) A: Peso Atómico Vc: Volumen de la celdad Unidad n: Nº de átomos asociados a la estructura _Esto es debido a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan fuertemente entre sí.

_Llamado también Factor de Condensación Atómica.

█(@Volumen de átomos en la celda unitaria)/(Volumen de la celda UNitaria)

_Los cristales FCC y HCP tienen las configuraciones compactas con mayor densidad.

_No tiene unidad de medida.

Poliformismo o Alotropía:

Es la capacidad de los Materiales cristalinos para asumir dos o más estructuras cristalinas.Los materiales que presentan esta situación se llaman materiales polimorfos o que sufren cambios alotrópicos con elevadas tº a presión atmosférica.

_Los materiales metales y no metales puedes tener más de una estructura cristalina bajo condiciones de tº y presión.

_Además el Alotropismo es un factor importante en el tratamiento térmico de los metales, como soldadura y otro aspecto importante es que los que tienen estas propiedades van cambiando su volumen a medida que va cambiando su estructura cristalina.

Ejemplos de materiales con esta capacidad: Hierro, Sílice.

Hierro: de_ -273 ºC a 910 (BCC) hierro Alfa

_910 a 1394 (FCC) Hierro Gamma

_1394 a 1539 (BCC) Hierro Alfa

Solidificación de metales:

La solidificación de los metales y aleaciones metálicas es un proceso industrial importante porque la mayoría de los metales se obtienen por procesos de fundición para luego ser moldeados, colada continua y finalmente son sometidos a procesos de deformaciones que son necesarios para obtener productos de aplicación industrial.Los metales que se utilizan comúnmente en la manufactura de diversos productos constan de muchos cristales individuales orientados al azar (granos), Las estructuras metálicas no son monocristalinos sino POLICRISTALINAS

Un metal fundido que comienza a solidificar , los cristales empiezan a formarse independientemente uno de otros en varios lugares dentro de la masa líquida, tienen orientaciones al azar y sin relación unas con otras .Después , cada uno de ellos crece en una estructura cristalina o grano.

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Proceso de Solidificación de una mezcla o Aleación:

_Formación de un núcleo estable en el material fundido (Nucleación).

_Crecimiento del núcleo hasta formar cristales.

_Formación de una estructura granular.

Nucleación Homogénea Nucleación Heterogénea

_Tiene lugar en el líquido fundido cuando el metal proporciona por sí mismo los átomos para formar los núcleos de iniciación de la solidificación.

_Ocurre cuando la probabilidad de formar un núcleo es la misma en todas las partes.

_Casi nunca ocurre este tipo. _Es la nucleación preferente en las superficies del molde(paredes) y de las impurezas, que ocurre cuando el líquido entra en contacto con la superficie del molde.

_En la mayoría de los procesos industriales existe este tipo de nucleación.

_El número de sitios de nucleación dispobiles en el metal afectaran a la estructura granular del metal solidificado, si hay pocos puntos de nucleación disponibles durante la solidificación se produce una estructura de grano grueso y tosca pero si hay muchos puntos de n. se dará origen a una estructura de grano fino, la cual es la más deseable en los metales de usos industriales.

Grano:

_Son unidades microscópicas fundamentales de estructura metálicas, llamados cristales o fragmetos cristalinos. _El tamaño del grano es importante por la superficie que tiene, ya que tienen efectos significativos en muchas propiedades de los metales como es la resistencia y tenacidad. _Existe un método llamado ASTM para determinar el número de tamaño de grano n es: N= 2 ^(n-1). _Si el tamaño del grano está entre 5 y 8 se consideran granos finos, tamaños 7 es aceptable en láminas que se fabrican para automóviles, los tamaños mayores a 6 según ASTM producen una deficiencia apariencia superficial y afecta de manera adversa la deformación local.Además el tamaño de los granos se relaciona directamente con la tº de enfriamiento. _Cuando es más rápido el enfriamiento el tamaño del grano es aún más fino, y un metal de grano fino presenta mayor resistencia, dureza y mayor ductibilidad durante su deformación. _Si los granos están deformados son anisotropicos, la propiedades varían con la dirección.

Solidificación:

Numerosos núcleos se forman inicialmente en las paredes del molde, pero solo unos crecen en la pared hacia el interior del líquido. La transformación de líquido a sólido presenta una estructura semejante a un árbol, esta estructura se llama dendrita y prosiguiendo el enfriamiento del líquido, ella da origen a los Granos Equixiales y Granos Columnares, estos se obtienen cuando un metal se solidifica en un molde sin utilizar un refinador de grano.

Granos Equixiales: Se produce cuando la solidificación de los cristales crecen por igual en todas las direcciones , estos se encuentran normalmente junto a la pared del molde.

Granos Columnares: Si el metal se solidifica con relativa lentitud en presencia de un excesivo gradiente de tº térmica. La trasformación de l a s presenta una estructura llamada dendrita y prosiguiendo el enfriamiento del líquido en este tipo de granos, que tienen ciertas características como alargados, delgados y toscos.

La mayoría de los sólidos cristalinos son un conjunto de muchos cristales pequeños o granos.Este tipo de material se llama policristalino.

En el metal solidificado los cristales se llaman granos y las superficies entre ellos, límites de grano.

Un cuerpo policristalino es isotrópico es decir tiene las mismas propiedades en todas las direcciones.

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Límites del Grano:

_Son los límites entre los cristales que constituyen el material policristalino

_Se origina en el proceso de solidificación

_A través de ellos cambia la orientación de los cristales.

_Constituyen un impedimento al movimiento de dislocación

_Son imperfecciones

_Son más susceptibles a los ataque químicos

_Ejercer una influencia importante sobre la corrosión, debido a que los átomos de dichos límites tienen una elevada energía y están ligados menos firmemente que los demás componentes de la estructura.

_Son áreas de alta energía, lo cual los hace más favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados.

Soluciones Sólidas Metálicas:

Es el tipo más simple de las aleaciones, consta de 2 o más elementos dispersos en una estructura de fase única. Los átomos del soluto ocupan posiciones susbstitucionales o intersticiales en la red del disolvente y se mantiene la estructura cristalina del disolvente, se distinguen dos tipos de soluciones sólidas: Solución sólida de sustitución y solución sólida de intersticial.

Solución sólida de sustitución Solución Sólida intersticial

_El soluto puede sustituir uno o más átomos de una red.

_La estructura cristalina del disolvente permanece inalterada, pero las posiciones cristalinas se pueden distorsionarse a la presencia de átomos de soluto.

_ La estructura cristalina del elemento base permanece inalterada pero las posiciones cristalinas se pueden distorsionar debido a las presencia de átomos de soluto, especialmente si hay diferencia signicativas de diámetros atómicos entro el soluto y el disolvente.

_La proporción de átomos de un elemento que pueden disolverse en otro puede variar desde una fracción de % hasta el 100 % del mismo. _El soluto puede ubicarse en un intercicio de la red.

_Las soluciones sólidas intersticiales pueden formarse cuando uno de los átomos es mucho mayor.

_Ejemplo de esto son: C, N, H y O que son elementos químicos que por su pequeño tamaño pueden formar soluciones de este tipo.

_Algunos tratamientos térmicos se basen en este tipo de solución para lograr modificar significativamente la estructura de los metales y sus propiedades mecánicas.

Otras Soluciones Sólidas en las Aleaciones Metálicas:

Aleaciones o Compuestos Inter metálicos:

Está constituido por 2 o más elementos, produciendo una nueva fase de composición, estructura cristalina y propiedades propias. Éstos se parecen más a los compuestos químicos ordinarios porque tienen composiciones definidas y funden a t º determinadas, pero difieren de los compuestos químicos porque no siguen las leyes de la valencia química. _Poseen redes espaciales características que son más complicadas que la de los metales puros o soluciones sólidas. _Tienen mayor dureza, menor conductividad, menor ductibilidad y plasticidad, mayor resistencia que las aleaciones sencillas. Ejemplo de esto son los carburos metálicos.

Mezclas Mecánicas o Compuesto Metálico:

_Son dos metales que la forman, además se forma cuando estos compuestos no son solubles unos en otros, presentan tendencia a combinarse químicamente, en este caso cada metal de la mezcla solidifica independientemente del otro sin admitir en su red átomos extraños, el sólido final consiste en una mezcla e cristales puros de los componentes de la aleación.

Imperfecciones de los Cristales:

El sólido ideal no existe, y tienen un gran número de defectos. Estas surgen a menudo naturalmente, debido a la incapacidad del material que se solidifica para seguir reproduciéndose indefinidamente su celda unidad, a veces las imperfecciones se introducen intencionalmente durante el proceso de manufactura. Estas siempre están presente en los materiales, se caracteriza por introducir un plano atómico extra en la red cristalina que produce un desplazamiento de los átomos presentes en la zona donde acaba el plano extra.Existen 3 y se clasifican según su forma geométrica:

Defectos puntuales: Son imperfecciones en la estructura del cristal que involucran ya sea un átomo o átomos. Éstos defectos pueden tomar varias formas como :

_Vacante, el defecto más simple causado por un átomo faltante dentro de la estructura reticular. Es un espacio creado por la pérdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Puede producirse durante la solidificación y también como consecuencia de vibraciones. En los metales de puede producir por la deformación plástica y enfriamiento rápido desde altas tº.

_Defecto intersticiales, una distorsión de la retícula producida por la presencia de un átomo extra en la estructura.

_En las estructuras iónicas o cerámicas, pueden formarse defectos de Frenkel y de Schottky.

Defectos lineales o dislocaciones: Son defectos que provocan una distorsión de la red centrada en torno a una línea, esto sucede durante la solidificación de los sólidos cristalinos, también se pueden producir durante la deformación plástica o permanente de sólidos cristalinos. Existen dos tipos de dislocaciones:

Dislocaciones de Borde (cuña): Se crea por inserción de un semi plano adicional de átomos dentro de la red, estos e refleja en la leve curvatura de los planos verticales de los átomos más cercano del semiplano extra.

Dislocaciones de Tornillo (Helicoidal): Se forma cuando se aplica un esfuerzo de cortadura en un cristal que ha sido separado por un plano cortante.

Las propiedades de los materiales son en función de sus estructura en todos los niveles.

Los átomos se pueden ensamblar en estructuras amorfas o cristalinas.

Todos los materiales presentan defectos nombrados anteriormente, los cuales pueden ser controlados.

Los defectos afectan a las propiedades y comportamiento del material, pueden ser deseables o indeseables.

Difusión Atómica en Sólidos:

Consiste en la emigración de los átomos de un sitio de la red a otro sitio.En los materiales, los átomos están en movimiento, cambian rápidamente de posición. Existen dos mecanismos de difusión de átomos en una red cristalina:

Mecanismos de la difusión por vacante o sustituciones. Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas, desde una posición atómica a otros si hay suficiente energía de activación procedente de vibraciones térmicas de los átomos. A mayor temperatura del metal se produce más vacantes. (Endurecimiento por precipitación y re cristalización de un metal trabajado en frío)

Mecanismo de difusión intersticial, tiene lugar cuando los átomos van desde una posición intersticial a otro intersticio vecino sin desplazarse permanentemente a ninguno de los átomos de la red cristalina matriz. El tamaño de los átomos que se difunden debe ser pequeño (hidrogeno, carbono, nitrógeno y oxigeno). El Carbono puede difundirse intersticialmente en hierro alfa BCC y en hierro gamma FCC.

En la industria se utiliza la difusión en estado sólido en: Endurecimiento de la superficie del acero por los procesos de carburizacion y nitruración (cementación). El proceso consiste en colocar un acero de bajo contenido de carbono Co, en una atmósfera de alta concentración de carbono o de nitrógeno, se emplea atmósfera gaseosa de gas natural para el carbono, o de amoniaco para el nitrógeno La difusión practica implica cambios de concentración con el tiempo (la concentración es función tanto del tiempo como de la posición, c(x, t). Esto se describe como un estado no estacionario y transitorio de difusión. La expresión matemática de este proceso transitorio se conoce como Segunda ley de Fick

Sinterización :

Es un tratamiento a altas temperaturas (0,7 a 0,9 del punto de fusión), donde las partículas se unen y en forma gradual se reduzcan el volumen del espacio de los poros entre las mismas, proceso que se utiliza en la metalurgia en polvo cuando se realiza el compactado para obtener una preforma, muchas partículas distintas que tienen su propia superficie, por lo cual la superficie total del área contenida en el compactado es muy alta con una cantidad significativa de poros. Bajo la influencia del calor, los átomos se difunden hacia los puntos de contacto, permitiendo que las partículas queden unidas y la reducción de los poros. Si el sinterizado se realiza por un tiempo se eliminan los poros y el material se hace más compacto. El tiempo de sinterizado varía entre los 20 y 40minutos A medida que aumenta la densidad mejoran las propiedades mecanizas del material (resistencia a tracción, alargamiento, resistencia al impacto

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