Materiales metálicos

Ciencia e Ingeniería de los Materiales                             Unidad 3

UNIDAD 3         MATERIALES METÁLICOS.

Los metales son elementos químicos:

1. capaces de conducir la electricidad y el calor,
2. exhiben un brillo característico,
3. sólidos a temperatura normal, excepto el mercurio, y
4. sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.

En ciencia de materiales, un metal es un material en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico), lo que le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad (oro, plata, cobre) y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo.

Existen metales: a) alcalinos (como el sodio) y b) alcalinotérreos (como el magnesio) los cuales presentan baja densidad, son buenos conductores del calor y la electricidad, y son muy reactivos. c) metales de transición (conforman la mayoría de los metales), los que se encuentran en diversos grupos y d) lantánidos, actínidos y transactínidos. ​Teóricamente, el resto de elementos que queda por descubrir y sintetizar serían metales. Los metales más utilizados, son el cobre, plomo, mercurio, aluminio, hierro, estaño y zinc. Algunas propiedades importantes de los metales son:

• Alta resistencia mecánica           • Alta rigidez              • Alta conductividad eléctrica

• Alta conductividad térmica        • Ductilidad                 • Dureza •Maleabilidad  

• Lustre                                         • Alta resistencia al impacto (resiliencia)  

• Insolubilidad en agua y disolventes orgánicos

3.1 SOLUCIONES SÓLIDAS Y DIAGRAMAS DE FASE.

Se puede elevar la resistencia de los materiales metálicos, incrementando su resistencia a la cedencia, al crear más obstáculos contra el movimiento de las dislocaciones mediante:

1. Endurecimiento por tamaño de grano (ecuación de Hall-Petch).
2. Endurecimiento por deformación o Trabajo en frío.
3. Agregando pequeñas cantidades de elementos de aleación.
4. Formación de pequeñas partículas de segundas fases.

Solución sólida: material sólido en el cual los átomos o iones de los elementos que la forman están dispersos uniformemente.

Fase: forma única en la que existe el material. También se define como la parte o el total de un sistema, que es físicamente dentro de sí misma y limitada por una superficie, de manera que sea mecánicamente separable de cualquier otra porción y tiene las siguientes características:

1. tiene la misma estructura ó arreglo atómico, composición y propiedades en su interior.

2. interfaz definida entre la fase y las fases que la rodean ó están adjuntas.

Por ejemplo, el agua tiene tres fases: agua líquida, hielo y vapor de agua. Si encerramos un bloque de hielo en una cámara de vacío, el hielo comienza a fundirse y algo del agua se evapora, obteniendo tres fases coexistiendo: H2Osólida, H2Olíquida y H2Ogaseosa, en las que cada forma de H2O es una fase distinta, cada una tiene su arreglo atómico único, propiedades únicas y límite definido entre cada forma; sin embargo, en este caso su composición química es idéntica.

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Figura 1. Ilustración de fases y solubilidad: a) las tres fases o formas del agua – gaseosa, líquida y sólida; b) Agua y alcohol tienen solubilidad ilimitada; c) Sal y agua tienen solubilidad limitada; d) Agua y aceite no son solubles entre ellos.

Es importante mencionar que no siempre las fases tienen que ser las formas sólidas, liquidas y gaseosas de un material. Por ejemplo, el hierro (Fe) puede existir en estructuras cristalinas cúbicas centradas en las caras y en el cuerpo (FCC y BCC, respectivamente). El carbono puede existir en muchas formas, como el diamante o el grafito, las cuales son solo dos de sus muchas fases posibles.

Aleación: material que tiene propiedades metálicas y está formado por varios elementos. Existen aleaciones monofásicas y polifásicas.

Existen dos tipos de soluciones sólidas:

a) Las aleaciones de tipo sustitucional se generan cuando la combinación para formarlas contiene elementos de radio atómico semejante (la diferencia entre los radios atómicos de los elementos no debe ser mayor del 15%), igual estructura cristalina y propiedades químicas semejantes (deben tener electronegatividad parecida, para evitar una reacción química entre ellos); mientras que,

b) La aleación intersticial está formada por una combinación de átomos metálicos con átomos no metálicos “más pequeños” que ocupen los huecos de la estructura cristalina del metal. Para este último tipo de aleación se espera que se cumpla la siguiente restricción: rintersticialidad/raleación < 0.59 (r = radio atómico del elemento); sin embargo, el acero, a pesar de que es una aleación de tipo intersticial no cumple con la restricción anterior, lo que provoca que el acero pueda contener hasta un máximo de 2.08 % de carbono.

Diagrama de fases: muestra las fases y sus composiciones en cualquier temperatura y composición de la aleación. Puede ser diagrama de fases:

a) Unario o diagrama presión-temperatura (P-T): Un solo elemento como el magnesio

b) Binario: Cuando en un material sólo dos elementos o dos compuestos, que se encuentran en varios sistemas metálicos y cerámicos como cobre-níquel y NiO-MgO.

c) Ternario: es para sistemas que están constituidos por tres componentes.

En el diagrama unario o P-T del magnesio, solo hay un componente, en el cual, dependiendo de la presión y la temperatura, puede haber dos o hasta tres fases presentes en un momento determinado: magnesio sólido, magnesio líquido y vapor de magnesio. La intersección de las líneas del diagrama de fases con la línea punteada que representa la presión de 1 atm define sus temperaturas normales de fusión y ebullición. A presiones muy bajas, un sólido como el magnesio se puede sublimar, es decir, pasar de sólido a gaseoso sin fundirse cuando se calienta. El punto en donde coexisten las tres fases en condiciones de equilibrio es el punto triple.

[pic 3]

Figura 2. Esquema de diagrama de fase unaria para el magnesio, donde se muestran las temperaturas de fusión y ebullición a una atmósfera de presión.

Es importante conocer cuánto de cada material o componente se puede combinar sin producir una fase adicional, o sea, la solubilidad de un material en otro para formar soluciones sólidas (fosforo en silicio, titanato de bario BaTiO3, titanato de estroncio SrTiO3) o líquidas (agua en azúcar, agua en alcohol, cobre en níquel líquidos)

Solución ilimitada.

El agua es una fase y el alcohol otra fase, al mezclarlos se produce una fase nueva con propiedades y composición únicas. Son solubles entre sí con una solubilidad ilimitada. Si mezclamos Cu y Ni líquidos solo se produce una fase única con composición y propiedades nuevas en todos sus puntos, pues el Cu y el Ni tienen solubilidad ilimitada.

Una solución sólida no es una mezcla, porque la mezcla contiene más de una clase de fase cuyas características se mantienen cuando se forma la mezcla. Los componentes de una solución sólida se disuelven por completo entre sí y no retienen sus características individuales. El titanato de bario BaTiO3, titanato de estroncio SrTiO3 forman soluciones sólidas, y al mezclarlos forman compuestos que se encuentran en el sistema ternario BaO-TiO2-SrO.

Para que un sistema como el de Cu-Ni tenga solubilidad sólida ilimitada debe satisfacer las condiciones conocidas como las reglas de Hume- Rothery siguientes:

1. Factor tamaño. Los átomos o iones deben tener tamaño semejante, con diferencia de radio atómico menor a 15% para minimizar la deformación de la red, es decir, minimizar a nivel atómico, las desviaciones causadas en las distancias interatómicas.

2. Estructura cristalina. Los materiales deben tener la misma estructura cristalina, para evitar que se llegue a un punto en el que se presente una transición de una fase a otra.

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