Estructura y propiedades de los materiales.

Segundo departamental

El qué tan rápido o con qué tanta energía se logra un cambio de estado en un metal dependerá de los materiales que lo integran. Se debe recordar que casi nunca se utilizan metales puros. A la combinación química de dos o más metales se le llama aleación. Muchas de las propiedades de los metales están relacionadas con la estructura cristalina y también con el enlace metálico, tales como:-densidad- dureza- punto de fusión- conductividad eléctrica y caloríficaNinguna propiedad depende tanto de la formación de la estructura cristalina como las propiedades mecánicas: la maleabilidad, ductilidad, resistencia a la tensión, etc.

*Enlaces: Iónico: metal-nometal.Covalente: entre dos nometales.Metálico: entre metales.de Van der Waals: es el más débil.

*Las aleaciones no necesariamente se hacen en estado líquido: en la metalurgia de polvos, puede realizarse la aleación por medio de vibraciones.

* Principales estructuras de los metales: Cúbica Centrada en Cuerpo, Cúbica Centrada en caras y hexagonal.

Proceso de cristalización/solidificación de los Metales:1. Calentados por encima de su punto de fusión, los átomos se agrupan al azar

y son portadores de elevadas energía y movimiento2. A medida que el líquido se enfría la energía de algunos átomos disminuye y

su movilidad dentro de la masa va ocupando una posición más ordenada. Entre más lento sea el proceso de enfriamiento, más oportunidad le damos

a los átomos de ordenarse adecuadamente. En cambio, si se somete a un proceso de enfriamiento brusco, por ejemplo

un tratamiento térmico de temple, ocurre una distribución poco homogénea. Para eso existen los tratamientos térmicos. En la gran variedad de ellos

podemos manejar la temperatura de enfriamiento, sabiendo el resultado que obtendremos.

3. Alcanzada la temperatura de solidificación, estos grupos aislados de átomos quedan ya orientados y enlazados como el cristal elemental, adquiriendo una estructura rígida de orientación los unos respecto a los otros.

4. Los átomos vecinos cuando pierden la energía térmica necesaria, se agregan al cristal elemental formado nuevos cristales elementales unidos y

comienzan a formar redes cristalinas en crecimiento alcanzado cierto tamaño se convierten en núcleos de cristalinos.

5. La red cristalina crece en unas direcciones más que en otras, así los cristales adquieren una forma alargada y constituyen en los llamados ejes de cristalización.

6. A partir de los primeros ejes, en direcciones perpendiculares, tiene lugar el crecimiento de nuevos ejes. Este tipo de cristalización, que recuerda a un cuerpo ramificado, se conoce como dendrítico, y el cristal formado dendrita.

7. Los cristales entran en contacto, lo que impide la formación de cristales geométricamente correctos, después de la solidificación completa adquieren un carácter casual. Tales cristales se denominan granos y los cuerpos metálicos, compuestos de un gran número de granos, se denominan policristalinos.

8. Condiciones de cristalización/solidificación: Condiciones reales de Cristalización (muy distintas a las ideales):

a) En el metal siempre hay impurezas.b) Las temperaturas de fusión son altasc) Las velocidades de enfriamiento son relativamente altas.d) La transferencia de calor de la masa fundida al medio es diferente en

diferentes direcciones.e) Las partes más cercanas a las paredes del molde se enfrían a una

velocidad mucho mayor que las más interiores. Cada una de estas condiciones perturbadoras produce cambios a la red cristalina y dan lugar a la formación de granos.

Esquema de formación de granos: La ilustración muestra las diversas etapas de solidificación de los metales:

a)    Formación de núcleos.b)   Crecimiento de los núcleos hasta formar metales y

c)    Unión de cristales para formar granos y límite de granos asociados.Tamaño de grano fino:Mayor resistencia a la tracción, mayor dureza, se distorsionan menos durante el temple. Menos susceptibles al agrietamiento. Recomendado para herramientas.

Tamaño de grano grueso:

Incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frio.Los materiales de grano grueso se maquinan más fácilmente.

Defectos en la solidificación:Contracción: Durante la solidifación el material se contrae, es decir se encoge hasta un 7%Porosidad gaseosa: Muchos metales en estado líquido disuelven gran cantidad de gas. El hidrógeno excedente forma burbujas que pueden quedar atrapadas en el metal sólido, produciendo porosidad gaseosa.

Impurezas y Defectos cristalinos:Los materiales no son homogéneos por varias cuestiones:Impurezas (en los sitios intersticiales)Defectos cristalinosLa temperatura de enfriamientoEl medio de propagación

DEFECTOS CRISTALINOS

Los sitios intersticiales y las vacancias son defectos en las estructuras cristalinas.Pero sin ellos, no podríamos realizar aleaciones de materiales.

Existen tres tipos básicos de imperfecciones en las redes cristalinas, las cuales se pueden formar por las condiciones dadas anteriormente:

Con frecuencia se pueden crear en forma intencional los “defectos” para obtener determinado conjunto de propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas.

I. Defectos puntuales: Son interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos que, si no fuera por ellos, serían perfectos en una estructura cristalina. Aun cuando se les llama defectos puntuales, la alteración afecta una región donde intervienen varios átomos o iones. Estas imperfecciones se pueden introducir por el movimiento de los átomos o iones al aumentar la energía por calentamiento durante el procesamiento del material, por introducción de impurezas o por dopaje. Un defecto puntual implica en general a uno o un par de átomos o iones y en consecuencia, es distinto de los defectos extendidos, como dislocaciones, limites de grano, etc.

a. Vacancias: se produce cuando falta un átomo o un ion en su sitio normal de la estructura cristalina. Esto aumenta el desorden normal o entropía del material, lo cual aumenta la estabilidad termodinámica de éste. A temperatura ambiente la concentración de vacancias es pequeña pero aumenta de forma exponencial al aumento de temperatura. Las vacancias desempeñan un papel importante en la determinación de la rapidez con que se puede mover los átomos o los iones, es decir, difundirse, en un material sólido, en especial en los metales puros. (Es un mecanismo de difusión).

b. Defectos intersticiales: Se forman cuando se inserta un átomo o ion adicional en estructura cristalina en una posición normalmente desocupada.

c. Defecto sustitucional: Se introduce un defecto sustitucional cuando un átomo o ion es situado con un tipo distinto de átomo o ion. Los átomos o iones sustitucionales ocupan el sitio normal en la red. Los semiconductores que no contienen concentraciones apreciables de dopantes o impurezas se llaman semiconductores intrínsecos. Los semiconductores extrínsecos son los que contienen dopantes o impurezas.

d. Defecto autointerstical: Se crea cuando un átomo idéntico a los puntos de red está en una posición intersticial. Es más probable encontrar estos defectos en estructuras cristalinas que tienen bajo factor de empaquetamiento.

e. Defecto o par de Frenkel: Es un par vacancia-intersticial que se forma cuando un ion salta de un punto normal de red a un sitio intersticial y deja atrás una vacancia.

Estos defectos afectan principalmente las propiedades mecánicas del material: elasticidad, dureza, plasticidad, etc.

*Dopamiento: cuando entra un átomo diferente en la estructura de manera controlada para cambiar sus características.

II. Defectos Lineales (dislocaciones): Son imperfecciones lineales en un cristal, se suelen introducir en el cristal durante la solidificación del material o en la deformación plástica de éste. Aunque en todos los materiales

incluyendo cerámicos y polímeros, hay dislocaciones, son especialmente útiles para explicar la deformación y el endurecimiento de los materiales metálicos. Las dislocaciones están formadas por los átomos originales del material (no por impurezas). Debido a que el plano de átomos está insertado en la estructura en lugares no definidos por la misma, las dislocaciones causan la deformación del material cercano a ellas. Las dislocaciones se dividen en tres tipos:

a. De cuña/arista/borde: Formada por un plano extra de átomos en el cristal, el vector de Burgers es perpendicular al plano que contiene la dislocación y paralelo al plano de deslizamiento. Existe una interacción fuerte entre dislocaciones de arista de tal manera que se pueden llegar a aniquilar.

b. De tornillo/helicoidal: Se llama así debido a la superficie espiral formada por los planos atómicos alrededor de la línea de dislocación y se forman al aplicar un esfuerzo cizallante. La parte superior de la región frontal del cristal desliza una unidad atómica a la derecha respecto a la parte inferior. En este caso, el vector de Burgers es paralelo al plano que contiene la dislocación y perpendicular al plano de deslizamiento.

c. Mixtas: Dislocación formada por las dos anteriores, una de cuña y una helicoidal.

Difusión.Es el movimiento de los átomos en un material. Los átomos se mueven de una manera predecible, tratando de elminiar diferencias de concentración y de producir una composición homogénea y uniforme. El movimiento de los átomos es necesario para muchos de los tratamientos que llevamos a cabo sobre los materiales. Es necesaria para el tratamiento térmico de los metales, la manufactura de los cerámicos, la solidificación de los materiales, entre otros.

La difusión es la capacidad de movilidad de los iones de un elemento dentro de la estructura de otro; es el mecanismo por el cual la materia es transportada a través de la materia. Existen 2 mecanismos principales de difusión:

a. Mecanismo sustitucional o por vacantes: los iones pueden moverse en la red cristalina de una posición a otra si tienen suficiente energía de activación procedente de sus vibraciones térmicas y si existen vacancias u otros defectos cristalinos en la red hacia los cuales los iones pueden desplazarse.

A mayor Temp -> mayor número de vacantes y mayor energía térmica, por ende, mayor difusión (mayor movilidad y mayor espacios).Energia de activación: energía para formar una vacante + energía para moverla

b. Mecanismo intersticial: la difusión de los iones tiene lugar cuando estos se mueven de un intersticio a otro vecino, sin desplazar de manera permanente a ninguno de los iones de la red cristalina de la matriz. De vacantes o sustitucional.

Aplicaciones de la difusión:Tratamientos en los materiales:

RevenidoProcesos sobre toda la masa. Recocido

NormalizadoTemple

Temple por llama y por láserProcesos sobre la superficie. Difusión Termoquímica

Carbonitruración Cementación Nitruración

Gradiente de concentración.

Es la medida de la diferencia de la concentración de una sustancia en dos regiones. La velocidad de difusión es directamente proporcional al tamaño de gradiente de concentración:

Mayor gradiente de concentración Mayor velocidad de difusión.

Leyes de Fick para la difusión.Primera ley de Fick.Teorema: Cuando en un sistema termodinámico multicomponente hay una gradiente de concentraciones, se origina un flujo irreversible de materia, desde las altas concentraciones a las bajas. A este flujo de materia se le llama difusión.

La difusión tiende a devolver el sistema a su estado de equilibrio, de concentración constante.

La Primera ley de Fick nos dice que el flujo difusivo que atraviesa una

superficie J (en mol

cm2∗s) es directamente proporcional al gradiente de

concentración. El coeficiente de proporcionalidad se llama coeficiente de

difusión D (en1

cm2∗s). Para un sistema discontinuo (membrana que separa dos

cámaras):

J=D∗∆cδ

Donde: ∆ ces la diferencia de concentraciones molares

δ es el espesor de la membrana

J=D∗∆c∆ x

Donde ∆ c∆ x

es el gradiente de concentración

Segunda ley de Fick.describe el estado dinámico de la difusión de los átomos, por medio de la ecuación diferencial

∂c∂ t

=D ( d2c∂x2 )La segunda ley de Fick se utiliza en la difusión no-constante, es decir, cuando la difusión es en estado no estacionario, en los que el coeficiente de difusión es independiente del tiempo. Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual al coeficiente de difusión por la velocidad de cambio del gradiente de concentración

Diagramas de equilibrio de fases.

Un diagrama de equilibrio es la representación gráfica de la temperatura en función de la composición química (normalmente el % en peso) de una aleación binaria. De manera práctica indica qué fases predominan en cada una de las temperaturas en función de la composición. Da mucha información de la micro-estructura de una aleación cuando se enfría lentamente (en equilibrio) a temperatura ambiente.

Equilibrio: un sistema está en equilibrio si no tiene lugar cambios microscópicos con el tiempo.

Fase: una porción física homogénea y diferente de un sistema material.

Sistema: una porción del universo que ha sido aislada de tal modo que sus propiedades pueden ser estudiadas.

Número de componentes de un diagrama de fases: número de elementos que constituyen el sistema del diagrama de fases. Por ejemplo Fe-Ni un sistema de dos componentes.

Sistema isomorfo: un diagrama de fases en el cual solo existe una única fase sólida, esto es, hay solo una estructura en estado sólido.

Variables de estado: Variables independientes de las cuales depende el estado del sistema. Temperatura, presión y composición.

Diagrama de fases.

Una aleación binaria está formada por dos componentes. Una aleación se describe comenzando por los elementos que la componen y sus concentración %en peso(Wt%) y %atómico(At%). A esto se le conoce como diagrama de fases binario.

Diagrama de equilibrio de las fases

Para estudiar las aleaciones: aleación es una mezcla de un metal con otros metales o no metales.

Un diagrama de equilibrio o más comúnmente conocido como diagrama de fases es un diagrama de composición vs temperatura.

Carácterísticas de los sistemas binarios:

>Solubles en estado líquido y en estado sólido

>Solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido

>Solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido

>Sistemas que formas compuestos intermetálicos.

Sistema binario de solubilidad total: Al estado sólido y en cualquier proporción, nuestro sistema presentara una sola fase. Se produce un fenómeno de homogenización constante debido a la capacidad de difusión que posee el soluto. La difusión es la capacidad de movilidad de los iones de un elemento dentro de la estructura de otro; es el mecanismo por el cual la materia es transportada a través de la materia. Existen 2 mecanismos principales de difusión: A. mecanismo sustitucional o por vacantes: los iones pueden moverse en la red cristalina de una posición a otra si tienen suficiente energía de activación procedente de sus vibraciones térmicas y si existen vacancias u otros defectos cristalinos en la red hacia los cuales los iones pueden desplazarse. B. Mecanismo intersticial: la difusión de los iones tiene lugar cuando estos se mueven de un intersticio a otro vecino, sin desplazar de manera permanente a ninguno de los iones de la red cristalina de la matriz.

Sistema binario de insolubilidad. Estados de las fases. Formación de solidos: Los elementos NO son solubles entre si y por ende hay dos fases ya que solidificarán independientemente. Cuando la temperatura baje hasta la temperatura de solidificación de A, este solidificará pero B quedará atrapado en su estructura, por lo que el cristal será 100% A. Una vez alcanzada la temperatura de solidificación de B, comienza la solidificación de éste, rodeando los cristales de A.

Sistema binario de solubilidad parcial. Concepto de eutéctico: En los sistemas binarios de solubilidad parcial hay una aleación compuesta conocida como eutéctico, la cual solidifica a temperatura más baja a todas las demás composiciones. En el eutéctico coexisten 3 fases de manera íntima y fusionadas en una sola. Su comportamiento es de metal puro y existe una composición y una

temperatura eutéctica.