PRACTICA N° 3 ALOTROPIA DEL HIERRO

PRACTICA N° 3

ALOTROPIA DEL HIERRO

OBJETIVOS

 Observar los sistemas (alotropía) en un momento donde se presenta las fisuras.

 Determinar cuál de las tres probetas (muelle, fierro liso y fierro corrugado es más susceptible a presentar fisuras.

MARCO TEORICO

ALOTROPIA. - Alotropía (cambio, giro) es la propiedad de algunas sustancias simples de poseer estructuras atómicas o moleculares diferentes. Las moléculas formadas por un solo elemento y que poseen distinta estructura molecular se llaman alotropía.

La alotropía ocurre debido a la capacidad de algunos elementos químicos de presentarse como varios compuestos naturales simples, las cuales son sustancias con diferentes estructuras moleculares y diferente o igual cantidad de átomos. En general los cambios de estado de agregación de la materia o de sus fenómenos concomitantes, como la temperatura o la presión, son uno de los factores más importantes que influyen sobre cuales alótropos de un elemento se presentan.

El hierro es un metal alotrópico, es decir, su estructura cristalina sufre variaciones con la temperatura. En el hierro puro (Fe), estas transformaciones alotrópicas se dan a unas determinadas temperaturas (cabe destacar que en los materiales cristalinos los puntos de fusión están bien definidos, al contrario que en los amorfos).

Por encima de la temperatura de solidificación del Fe (1539 ºC), éste se encuentra en estado líquido.

En el intervalo de temperaturas que abarca desde los 1400 ºC a 1539 ºC se encuentra el hierro delta (Fe δ). La estructura cristalina de esta variedad es cúbica centrada en el cuerpo (BCC), con una longitud de arista de 0.293 nanómetros.

El hierro sigue enfriándose, hasta alcanzar la temperatura de 910 ºC. Durante todo este proceso, el hierro tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC), con una longitud de arista igual a 0.3646 nanómetros. A esta variedad de hierro se la denomina hierro gamma (Fe γ).

Entre los 910 ºC y los 768 ºC se produce una nueva variedad de hierro, el hierro beta (Fe β). Si bien durante este intervalo de temperaturas no se aprecia un cambio de estructura cristalina y no es una forma alotrópica (sigue siendo una estructura BCC –cúbica centrada en el cuerpo- correspondiente al hierro alfa), es importante destacar que a partir de los 768 ºC, punto denominado Temperatura de Curie, el hierro pierde sus propiedades magnéticas (este proceso es reversible volviendo a enfriar a temperaturas por debajo de Curie).

La última variedad del hierro es el hierro alfa (Fe α), que se da en temperaturas inferiores a los 768 ºC. Esta última forma alotrópica se caracteriza por una estructura cristalina centrada en el cuerpo (BCC) con una longitud de arista de 0.286 nanómetros.Estas transformaciones alotrópicas van asociadas a variaciones de volumen, tal y como se muestra en la gráfica. Se podría deducir que un incremento de temperatura produciría un aumento de volumen del hierro. En efecto, debido a una misma ley de dilatación, se produce el aumento de volumen en el caso de Fe α y Fe δ. Sin embargo, observamos como a 900 ºC se produce una repentina contracción volumétrica y a 1400 ºC se produce una expansión volumétrica. Estas discontinuidades pueden explicarse mediante los cambios alotrópicos (de α a γ y de γ a δ), ya que los factores de empaquetamiento atómico de las estructuras cristalinas asociadas a las formas alotrópicas del hierro son distintos. Así, tenemos que:

El hierro alfa presenta una estructura BCC con un factor de empaquetamiento igual a 0.68. Esto quiere decir que tiene el 68% del volumen total de la celda unitaria ocupada por átomos de hierro.

El hierro gamma presenta una estructura FCC cuyo factor de empaquetamiento es el de máxima compacidad (0.74). Es decir, el 74% del volumen total está ocupado por

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