Post on 21-Dec-2015
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Ing. Luis Alberto Sampén Alquizar
A
1
OBJETIVOSComprender los diferentes tipos de
enlaces atómicos.Reconocer los diferentes tipos de
estructura cristalina.Determinar características en las
estructuras cristalinas: cubica centrada en las caras y cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal compacta.
Distinguir los principales defectos cristalinos y su influencia en los materiales.
Comprender como ocurre la deformación plástica en los metales.
2
1. Los enlaces interatómicos
2. La estructura cristalina
3. Estructuras cristalinas compactas
4. Direcciones y planos cristalográficos
5. Difracción de rayos X
6. Monocristales y policristales
3
1 Los enlaces interatómicos
• Generalidades - Para entender las propiedades macroscópicas de los materiales es necesario en muchas ocasiones saber como están los átomos unidos entre sí
• Por un lado hay que saber que fuerzas los unen
• Y por otro lado como están dispuestos entre sí
4
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces primarios
- Son enlaces bastante fuertes
- Se rompen a temperaturas de entre 1000 y 5000 K
- A esta categoría pertenecen los enlaces iónicos, covalentes y metálicos
- Las cerámicas y los metales están unidos exclusivamente por este tipo de enlaces
5
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces primarios / Enlace Iónico
- Los óxidos(Al2O3, MgO) y los compuestos iónicos (NaCl, LiF) están unidos mediante este tipo de enlace
- El caso más típico es el del Cloruro Sódico (Sal común)
6
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces primarios / Enlace Iónico - Cloruro Sódico (NaCl)
• Sodio (Na): 11 electrones • Cloro (Cl): 17 electrones
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1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces primarios / Enlace Iónico - Energía de un enlace iónico
• TOTAL
• Ionización
• Atractivo
• Repulsivo
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• Enlaces primarios / Enlace Iónico
- Pese a que los electrones de los iones se colocan en regiones de formas complejas (orbitales) se puede considerar que el enlace iónico no es direccional
Geometría de algunos tipos de orbitales
1 Los enlaces interatómicos
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• Enlaces primarios / Enlace Covalente
- Aparece en diversos materiales:
• Materiales puros con alto módulo elástico (Diamante,
Si, Ge)
• Silicatos y vidrios (Rocas, ladrillos, cemento, ...)
• Metales de alto punto de fusión (W, Mo, Ta)
• Uniendo los átomos de Carbono de los polímeros
1 Los enlaces interatómicos
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• Enlaces primarios / Enlace Covalente
- El ejemplo más sencillo corresponde al hidrógeno
- La proximidad de los átomos hacen que se solapen los orbitales electrónicos reduciendo la energía
1 Los enlaces interatómicos
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- Energía de un enlace covalente (empírico)
• TOTAL
• Atractivo
• Repulsivo
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces primarios / Enlace Covalente
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- El ejemplo más relevante de enlace covalente es el diamante (C)
- Enlaces fuertemente orientados
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces primarios / Enlace Covalente
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- Otros ejemplos de enlaces covalentes
Propano (C3H8) Agua (H20) Ácido Acético
(CH3COOH)
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces primarios / Enlace Covalente
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- Es el principal (pero no el único) enlace presente en los metales - Los electrones más energéticos abandonan los átomos ionizándolos
- Estos electrones libres forman un “nube” que rodea a los átomos
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces primarios / Enlace Metálico
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• Enlaces primarios / Enlace Metálico
- La facilidad de movimiento del “mar” de electrones facilita notablemente la conductividad eléctrica - La curva de la energía del enlace es muy similar a la mostrada para el enlace covalente - Los enlaces metálicos no son direccionales - Al no tener enlaces direccionales los átomos tienden a empaquetarse formando estructuras de alta densidad
1 Los enlaces interatómicos
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• Enlaces secundarios
- Son enlaces débiles
- Se disocian a temperaturas de entre 100 y 500 K
- A esta categoría pertenecen las uniones de Van der Waals y los puentes de hidrógeno
- Estos enlaces aparecen principalmente en los polímeros y en los líquidos
1 Los enlaces interatómicos
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- Estos enlaces, que unen las cadenas poliméricas entre sí, hacen que el polietileno(y otros polímeros) sean sólidos
- Así mismo si este tipo de enlaces no existiera el agua herviría a -800C
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces secundarios
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• Enlaces secundarios / Van der Waals
- Describe la atracción que sufren los átomos no cargados a causa de los dipolos que aparecen esporádicamente en su interior
1 Los enlaces interatómicos
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- Energía de un enlace de Van der Waals es
• TOTAL
• Atractivo
• Repulsivo
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces secundarios / Van der Waals
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- El nitrógeno líquido se mantiene en ese estado a -1980C a causa de los enlaces de Van der Waals
- Sin estos enlaces, la mayoría de los gases no se podrían licuar y por lo tanto no se podrían separa industrialmente
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces secundarios / Van der Waals
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• Enlaces secundarios / Puente de hidrógeno
- El enlace por puente de hidrógeno es el encargado de mantener el agua líquida a temperatura ambiente y de unir las cadenas poliméricas entre sí
- La atracción entre moléculas se produce cuando estas son dipolares
1 Los enlaces interatómicos
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- Un ejemplo donde este tipo de enlace es especialmente importante es el “Hielo I”
1 Los enlaces interatómicos
• Enlaces secundarios / Puente de hidrógeno
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• Fuerzas interatómicas
- Conociendo el potencial del enlace es posible calcular la fuerza asociada a este mediante la expresión:
1 Los enlaces interatómicos
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- Si se separan los átomos una pequeña distancia r-r0, la fuerza que aparece entre ellos es proporcional a dicha distancia
- La rigidez del enlace se expresa como:
1 Los enlaces interatómicos
• Fuerzas interatómicas
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2 La estructura cristalina
• Distribución periódica de los átomos • Simetrías• Los sistemas cristalinos
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• Distribución periódica de los átomos
- Un cristal ideal se construye mediante la infinita repetición de unidades estructurales idénticas
- En los cristales más sencillos la unidadestructural es un solo átomo (Cu, Ag, Au,...)
- En muchos casos la unidad estructural puede contener muchos átomos o moléculas
2 La estructura cristalina
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- Para una estructura cristalina fija es posible escoger distintas celdas primitivas, pero todas ellas contendrán el mismo número de átomos
- La celda unidad convencional se elige de forma que refleje la simetría del cristal
• Distribución periódica de los átomos
2 La estructura cristalina
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- Como ejemplo; una celda que posea un átomo en cada vértice (cada uno compartido con 8 vecinos) tendrá:
• Distribución periódica de los átomos
2 La estructura cristalina
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- Un sistema cristalino puede presentar tres tipos de simetría:
• Simetrías
2 La estructura cristalina
30
- Los sistemas cristalinos vienen definidos por la simetría; no la forma de la celda unidad.
- La forma de la celda unidad es una consecuencia de la simetría.
• Los sistemas cristalinos
2 La estructura cristalina
31
• Los sistemas cristalinos
2 La estructura cristalina
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- Todas estas redes pueden ser combinadas con cuatro tipos de celdas primitivas
• Los sistemas cristalinos
2 La estructura cristalina
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- Las combinaciones resultantes dan las 14 redes de Bravais
• Los sistemas cristalinos
2 La estructura cristalina
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3 Estructuras cristalinas compactas
• Factor de empaquetamiento atómico• Cúbica centrada en las caras (FCC)• Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)• Hexagonal compacto (HCP)
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• Factor de empaquetamiento atómico (APF)
- El APF es la fracción volumétrica de una estructura cristalina ocupada por los átomos
- Es adimensional y menor de uno
- De forma práctica, el APF de una estructura cristalina, se determina suponiendo que los átomos son esferas rígidas
3 Estructuras cristalinas compactas
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- Factor de empaquetamiento atómico: 0.74
- Ejemplos: Al, Ag, Cu,…
• Cúbica centrada en las caras (FCC)
3 Estructuras cristalinas compactas
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- Factor de empaquetamiento atómico: 0.68
- Ejemplos: Na, Fe,…
• Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
3 Estructuras cristalinas compactas
38
- Factor de empaquetamiento atómico: 0.74
- Ejemplos: Mg, C, Ti,…
• Hexagonal compacto (HCP)
3 Estructuras cristalinas compactas
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3 Estructuras cristalinas compactas
• Hexagonal compacto (HCP)
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4 Direcciones y planos cristalográficos
• Índices de Miller• Direcciones cristalográficas• Planos cristalográficos• Aspectos gráficos• Planos compactos
41
- Es un sistema de notación cristalográfica para definir planos y direcciones en redes cristalinas
- Direcciones y planos se representan por grupos de tres números enteros
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Índices de Miller
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- Una dirección cristalográfica es una línea imaginaria que une nodos(átomos, iones o moléculas) de un cristal
- Notación: [i j k] Única dirección
⟨i j k Familia de direcciones ⟩
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Direcciones cristalográficas
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- Planos cristalográficos son planos ficticios que unen nodos de la red
- Notación: (h k l) Único plano
{h k l} Familia de planos
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Planos Cristalográficos
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- El plano (h k l) corta a los vectores primitivos en a1/h, a2/k y a3/l, o algún múltiplo
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Planos Cristalográficos
45
- Ejemplos 3D
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Planos Cristalográficos
46
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Planos Cristalográficos
- Ejemplos 3D
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- Para redes cúbicas, la distancia entre dos planos paralelos (h k l) es:
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Planos Cristalográficos
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- Algunas propiedades de los materiales están directamente relacionadas con los planos y direcciones cristalográficas
• Propiedades ópticas
• Adsorción y reactividad
• Tensión superficial
• Dislocaciones y comportamiento plástico
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Aspectos gráficos
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- Ciertos planos presentan un elevado grado de empaquetamiento de átomos
- Estos planos tienen una gran importancia para el fenómeno de la deformación plástica
• Cúbica centrada en el cuerpo: {111}
• Hexagonal compacta: {001} Plano basal
4 Direcciones y planos cristalográficos
• Planos compactos
50
5 Difracción de Rayos X
• Introducción• Ley de Bragg• Condiciones de difracción• Métodos experimentales de difracción• Aplicaciones
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- Es una técnica para determinar el ordenamiento de los átomos en el interior de un cristal
- Esta información se obtiene a partir del modo en que un haz de rayos X es dispersado por el cristal - Esta dispersión es consecuencia directa de la disposición periódica de los átomos
5 Difracción de Rayos X
• Introducción
52
- Es una condición necesaria para tener difracción
5 Difracción de Rayos X
• Ley de Bragg
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- Cúbica simple:
• Todos los planos (hkl) existentes
• Planos (hkl) con h, k y l pares
• Planos (hkl) con h, k y l impares
- Cúbica centrada en el cuerpo (BCC):
• Planos (hkl) que satisfagan que h+k+l par
5 Difracción de Rayos X
• Condiciones de difracción
- Cúbica centrada en las caras (FCC):
54
- Método de Laue
• La muestra ha de ser monocristalina y con
espesor menor de 1 mm
• Emplea radiación X policromática
• El cristal solo difractará longitudes de onda que
satisfagan la ley de Bragg para algún plano y
ángulo concretos
• El patrón de difracción se registra en una
película colocada en frente (o detrás) de la
muestra
5 Difracción de Rayos X
• Métodos experimentales de difracción
55
5 Difracción de Rayos X
• Métodos experimentales de difracción
- Método de Laue
56
- Método del cristal giratorio
• La muestra es monocristalina menor de 1
mm3
• Se emplea un fuente de rayos X
monocromática
• El monocristal solo difractara en los
ángulo que satisfagan la ley de Bragg para
un cierto plano • La muestra se gira para
obtener todos los ángulos difractados
5 Difracción de Rayos X
• Métodos experimentales de difracción
57
5 Difracción de Rayos X
• Métodos experimentales de difracción
- Método del cristal giratorio
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- Método de Debye-Scherrer
• La muestra es policristalina (típicamente
polvo)
• Se emplea una fuente de rayos X
monocromática
• La muestra difractará todos los ángulos que
satisfagan la ley de Bragg
• Solo se emplea en elementos con muy alta
simetría • Muy útil para identificar y analizar
compuestos
5 Difracción de Rayos X
• Métodos experimentales de difracción
59
5 Difracción de Rayos X
• Métodos experimentales de difracción
- Método de Debye-Scherrer
60
5 Difracción de Rayos X
• Métodos experimentales de difracción- Método de Debye-Scherrer (Cámara cilíndrica)
61
5 Difracción de Rayos X
• Métodos experimentales de difracción
- Método de Debye-Scherrer
62
- Determinación de estructuras/redes
cristalinas
- Determinación de orientaciones
cristalográficas
- Determinación de parámetro de red
- Identificación y análisis de compuestos
- Determinación de tensiones en materiales
5 Difracción de Rayos X
• Aplicaciones
63
6 Monocristales y policristales
• Ordenamientos atómicos• Monocristales• Policristales
64
• Ordenamientos atómicos
- En los sólidos es energéticamente más estable disponer los átomos en redes regulares que no guardar ningún orden
6 Monocristales y policristales
65
- El ordenamiento atómico es perfecto
- No hay interrupciones a lo largo de todo el material
- No hay cambios en la orientación de la red
- La forma macroscópica de un monocristal puede reflejar o no la simetría de la estructura cristalina
• Monocristales
6 Monocristales y policristales
66
- Los monocristales son muy anisótropos: La anisotropía dependerá de la simetría del cristal
- Ejemplo: El módulo elástico del Cu es 66.7 GPa en la dirección [100], 130.3 GPa en la dirección [110] y 191.1 GPa en la [111]
• Monocristales
6 Monocristales y policristales
67
- Métodos de producción • Método de Czochralsky
• Monocristales
6 Monocristales y policristales
68
• Monocristales
6 Monocristales y policristales
- Métodos de producción • Técnica de Bridgeman
69
- Ejemplos de monocristales naturales • Monocristales
6 Monocristales y policristales
70
- Ejemplos de monocristales artificiales
• Monocristales
6 Monocristales y policristales
71
- Aplicaciones tecnológicas • Monocristales de Si en microelectrónica
• Monocristales de Zafiro (Al2O3) para la industria del láser • Monocristales de Fluorita (CaF2) para objetivos de telescopios
• Monocristales de superaleaciones de Ni para álabes de turbinas
• Monocristales de Cu para cables de altas prestaciones
• Monocristales
6 Monocristales y policristales
72
- La mayoría de los sólidos cristalinos están formados por pequeñas “cristalitas”
- La estructura del cristal es la misma en cada una de las cristalitas, pero la orientación de la red varía de unas a otras
- Estas cristalitas se denominan granos
• Policristales
6 Monocristales y policristales
73
• Policristales
6 Monocristales y policristales
74
- Si todos los granos están orientados aleatoriamente los policristales se comportan de forma isótropa
- Muchas propiedades dependen del tamaño de grano
• Policristales
6 Monocristales y policristales
75
7 Deformación plástica 7 Deformación plástica
Metales Resistencia y ductilidad son fuertemente controladas por la estructura atómica y microestructura
◦ Por ello es importante estudiar y entender con claridad el mecanismo de control de estas propiedades Inicialmente deformación de monocristales Luego deformación de policristales
Deformación◦ Deformación elástica completamente
recuperable al eliminarse el esfuerzo◦ Deformación plástica no recuperable al
eliminarse el esfuerzo
7 Deformación plástica 7 Deformación plástica
Desplazamiento atómico producido por un esfuerzo cortante :
E G
Mecanismos de deformación plástica:deslizamientomacladodeslizamiento en los límites de granotermofluencia difusional
Deslizamiento Movimiento paralelo de dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún plano (o planos)
Sistema de deslizamiento Es la combinación de un plano y una dirección que se halla sobre el plano, a lo largo del cual se produce el deslizamiento
7 Deformación plástica 7 Deformación plástica
Los planos compactos hacen más fácil el deslizamiento que los planos alineados en otra dirección respecto al esfuerzo cortante
7 Deformación plástica 7 Deformación plástica
Sistemas de deslizamiento ccca
Planos {111}Direcciones <110>
7 Deformación plástica 7 Deformación plástica
Sistemas de deslizamiento cccu
7 Deformación plástica 7 Deformación plástica
Sistemas de deslizamiento hc7 Deformación plástica 7 Deformación plástica
Deslizamiento ccca
7 Deformación plástica 7 Deformación plástica
8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales Esfuerzo cortante resuelto (factor de Schmid)
Supóngase un monocristal cilíndrico de un metal ccca
Tensión bajo una fuerza F Deslizamiento
planos (111) 3 direcciones <110>
Resolver el esfuerzo cortante sobre el plano (111) y a lo largo de las direcciones <110>
¿Cuál es el esfuerzo cortante resuelto a lo largo de una direcciónque hace un ángulo con el eje de tensión en el plano cuya normal forma un ángulo con dicho eje?
AcosAe
2a4
A
ba4
Ae
acosb
cosF
8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales
Esfuerzo cortante resuelto (r )
)cos(cosAF
r e
r AcosF )FS(r
: esfuerzo de tensión y FS: factor de Schmid
8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales
Se ha encontrado que en un sistema de deslizamiento se producirá el deslizamiento cuando el esfuerzo cortante resuelto en ese sistema alcance cierto valor crítico
Al esfuerzo cortante resuelto requerido para iniciar el deslizamiento sobre un sistema de deslizamiento dado se le llama a menudo esfuerzo cortante crítico resuelto (ECCR) y su valor depende en gran medida de la pureza del metal (ver siguiente tabla)
8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales
Resistencia teórica de los metales
8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales
Esfuerzo cortante teórico
◦Es el esfuerzo cortante determinado teóricamente, capaz de producir el deslizamiento de todos los átomos - de una sola vez - que se hallan encima (o debajo) del plano de deslizamiento, haciendo que se desplacen permanentemente desde un conjunto de sitios reticulares hasta otro nuevo conjunto de sitios en la red
◦¿Cuál es el esfuerzo cortante teórico necesario para producir un desplazamiento permanente de los átomos?
8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales
a2bG
m
¿Cuál es la diferencia entre el esfuerzo cortante crítico resuelto (ECCR) y el esfuerzo cortante de teórico (límite elástico o límite de fluencia) de los metales? ¿Porqué?
8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales
9 DEFECTOS CRISTALINOS9 DEFECTOS CRISTALINOS
Una red cristalina ideal supone una posición tridimensional de repetición perfecta
Los cristales de los metales reales tienen varios defectos, éstos se enlistan sistemáticamente como sigue:1. Vacancias2. Átomos del metal (base) colocados en forma intersticial3. Un átomo extraño colocado en forma substitucional4. Un átomo extraño colocado en forma intersticial5. Dislocaciones6. Maclas o fallas de apilamiento7. Límites de grano8. Huecos o cavidades9. Inclusiones
puntuales
planares
de volumen
lineales
Defectos puntuales
9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinos
1. vacancia 4. átomo extraño intersticial
3. átomo extraño pequeño sustitucional
3. átomo extraño grande sustitucional
Dislocaciones de borde
9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinos
9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinos
9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinos
9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinos
Dislocación de tornillo o helicoidal
9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinosDislocaciones mixtas
Bandas y escalones de deslizamiento causadas por el movimiento de dislocaciones (acero AISI 1010 - SEM)
9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinos
10 10 Resistencia real de metales Resistencia real de metales
Metales reales policristalinos
F´E
B
R
PF
O
10 10 Resistencia real de los metales Resistencia real de los metales
Resistencia real f(densidad de dislocaciones)
10 10 Resistencia real de los metalesResistencia real de los metales
Enmarañamiento de dislocaciones en límites de grano (TEM)
10 10 Resistencia real de los metalesResistencia real de los metales
1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento
Recuerdese que:◦La deformación plástica se debe al
movimiento de las dislocaciones◦La resistencia a la fluencia de un metal (o
aleación) usualmente se puede incrementar mediante la introducción de obstáculos al movimiento de dislocaciones
Tales obstáculos pueden ser:◦Enmarañamiento de dislocaciones◦Límites de grano◦Estructuras cristalinas distorsionadas debido
a átomos de impureza◦Pequeñas partículas dispersas en la
estructura cristalina
1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento Métodos de endurecimiento de los metalesMétodos de endurecimiento de los metales
104
MÉTODO CARACTERÍSTICA QUE IMPIDE EL MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES
Trabajo en frío Elevadas densidades de dislocaciones producen enmarañamientos
Afinamiento de grano Cambios en la orientación del cristal y otras irregularidades en los límites de grano
Fortalecimiento por solución sólida
Impurezas intersticiales o substitucionales distorsionan la estructura cristalina
Endurecimiento por precipitación
Partículas finas de un material duro precipitan fuera de la solución en el enfriamiento
Fases múltiples Discontinuidades en los límites de fase de una estructura cristalina
Templado y revenido Estructuras multifásicas de martensita y carburos precipitados (Fe3C)
Trabajo en frío Produce cambios en la microestructura y por
tanto en las propiedades: cambio en la forma de grano endurecimiento por deformación y un aumento en la densidad de dislocaciones
Una fracción de la energía consumida en la deformación es almacenada en el metal como energía de deformación la energía almacenada está asociada con las
concentraciones de tensiones (tracción, compresión y cizalladura) alrededor de las dislocaciones creadas
Además, otras propiedades son modificadas conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión,
etc.
1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento
comportamiento a tracción
1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento
Resistencia a la tracción
1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento
Ductilidad Resistencia a la fluencia
comportamiento a tracción
Recuperación recristalización crecimiento
1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento
18/04/23 jaasullcahuamán 109ÍNDICEÍNDICE >><<
T° recristalización
Trabajo en caliente
Trabajo en frío
+ recristalización
1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento
Afinamiento de grano ◦ El tamaño, o el diámetro medio, de los granos de
un metal policristalino afecta a las propiedades mecánicas
◦ El límite de grano actúa como barrera al movimiento de dislocaciones por dos razones: la posibilidad de que una dislocación pase de un
grano a otro vecino se hace más difícil a medida que aumenta la diferencia en la orientación (mayor ángulo)
el desorden atómico en el límite de grano producirá una discontinuidad de los planos de deslizamiento de un grano a otro
◦ Un material con grano fino es más duro y resistente que otro que tiene granos gruesos material de grano fino tiene un área total de límite
de grano mayor para impedir el movimiento de las dislocaciones
◦ Control solidificación, deformación y recristalización
1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento
111
12 Difusión en estado sólido12 Difusión en estado sólido
◦La difusión es una forma de transporte de masa
◦La difusión es la migración de átomos a través de la red cristalina no incluye los movimientos atómicos que se
producen en la deformación plástica
Energía de activación ( Q ). Generalmente un átomo sustitucional requiere mayor energía que otro intersticial
12 Difusión en estado sólido
Mecanismos de difusión
12 Difusión en estado sólido
DIFUSIÓN SUSTITUCIONAL◦ En el caso anterior no se mencionó el
movimiento de difusión de los átomos de Fe , ya que tal movimiento es insignificante comparado con el de los átomos más pequeños y más móviles del C .
◦ Supóngase, ahora, que el par de difusión está formado por Cu y Ni (ver figura siguiente) Átomos casi del mismo tamaño se disuelven
uno en otro como solutos sustitucionales Se espera que la movilidad de estos átomos
sea de casi el mismo orden de magnitud◦ Se debe considerar tanto la difusión del Cu
hacia la derecha como la del Ni hacia la izquierda
12 Difusión en estado sólido
Difusión sustitucional del par cobre-níquel. Al final, los átomos de cobre están uniformemente distribuidos en todo el níquel
12 Difusión en estado sólido
CARBURIZACIÓN O CEMENTACIÓN◦Supóngase que una barra de Fe puro tiene
un extremo relleno con grafito y se calienta a 700°C como se ilustra en la figura siguiente:
12 Difusión en estado sólido
◦Considerando el elemento diferencial de volumen para la difusión unidireccional del experimento anterior:
Se puede demostrar la 2° ley de Fick :
tC
]ZC
D[Z
111
Es una ecuación diferencial parcial de C1 como variable dependiente y Z y t como las dos variables independientes C1 = f(Z,t,D)
12 Difusión en estado sólido
12 Difusión en estado sólido
12 Difusión en estado sólido
18/04/23 jaasullcahuamán 120ÍNDICEÍNDICE >><<
12 Difusión en estado sólido
VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA DIFUSIÓNLas variables que influyen en la difusión se reflejan directamente en el coeficiente de difusión D◦ El coeficiente de difusión D no es constante◦ D es una función de muchas variables, tales como:
la temperatura la concentración la estructura cristalina las impurezas el tamaño de grano
◦ Para un caso determinado se supone que estas variables tienen valores específicos D es un número
12 Difusión en estado sólido
D es una función notable de la Temperatura
Donde Do , Q y R son constantes independientes de la temperatura Do : factor de frecuencia frecuencia de
vibración de los átomos que se difunden Q : energía de activación representa la
medida de la barrera de energía que tiende a impedir la difusión
R : constante de los gases T : temperatura absoluta (K)
RTQ
eDD o
12 Difusión en estado sólido
Constitución de las Aleaciones Constitución de las Aleaciones y Diagramas de Fasey Diagramas de Fase
123
124
ObjetivosObjetivosEntender los conceptos de aleación,
fase, solución solida y compuestos.Aprender a interpretar un diagrama de
fasesIdentificar sistemas de aleaciones y
predecir microestructuras en función de su composición y temperatura
125
AleaciónAleación
Aleación metálica: Mezcla de dos o más metales o de un metal con un no MetalSe busca mejorar las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión, u otras propiedades de los metales purosLas aleaciones pueden ser homogéneas (una sola fase) u heterogéneas (dos o mas fases)
126
Clasificación de las aleacionesClasificación de las aleaciones
127
FaseFase
Porción de microestructura homogénea química y estructuralmente
Conglomerado homogéneo de materiaMisma estructura y ordenamiento
atómicoMisma composición química y
propiedadesInterface definida con alguna fase
circundante
128
FASEFASE
129
FASEFASE
130
Solución sólidaSolución sólida
Es un sólido que consiste de dos o más elementos atómicamente dispersos formando una sola fase.
Presenta un soluto y un solvente
Sus propiedades están relacionadas con las de los elementos que la forman
131
Solución sólidaSolución sólida
132
Tipos de solución sólidaTipos de solución sólida
133
1.- Solución Solida 1.- Solución Solida sustitucionalsustitucional Formada por dos elementos en
donde átomos de soluto sustituyen átomos del solvente en la red cristalina
Los diámetros de los átomos no deben diferir en mas de 15%
La estructura cristalina debe ser la misma
Los elementos deben tener la misma valencia
134
2.-Solución solida intersticial2.-Solución solida intersticial
El soluto se acomoda en los espacios intersticiales en la red del solvente
Se forman cuando uno de los átomos es suficientemente grande en comparación al otro
Átomos intersticiales: H, C, N, O
135
CompuestosCompuestosFormados principalmente
entre elementos que poseen afinidad química, valencia positiva y negativa
Los elementos pierden su identidad individual
El compuesto tiene sus propias propiedades físicas, mecánicas y químicas
Se denominan mediante una fórmula química (Fe3C, Mg2Pb, etc.)
136
CompuestosCompuestosPresentan generalmente enlace
iónico o covalentePropiedades esencialmente no
metálicasPoca ductilidadBaja conductividadEjemplos: Fe3C, Mg2Pb, Mg2Sn,
Cu2Se
137
Diagrama de fasesDiagrama de fases
138
DefiniciónDefiniciónRepresentación gráfica de fases
presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones
Construidos bajo condiciones de equilibrio (enfriamientos lentos)
Empleados para entender y predecir varios aspectos del comportamiento de materiales
139
Diagrama de fasesDiagrama de fases
Permiten determinar a una determinada temperatura:Tipo y número de fases presentesComposición química de cada faseCantidad relativa de cada fasePuntos de transformación de fase
140
SolubilidadSolubilidad
141
Lamborghini MurcielagoLamborghini Murcielago
142
Tipos de diagramas de faseTipos de diagramas de fase
Tipo I: Elementos completamente solubles en estado sólido y en estado líquido.
Tipo II: Elementos insolubles en estado sólido
Tipo III: Elementos parcialmente solubles en estado sólido
143
DIAGRAMA TIPO IDIAGRAMA TIPO I
144
Diagrama Tipo IDiagrama Tipo I
145
Determinación de composición Determinación de composición químicaquímica
146
Determinación de cantidad de Determinación de cantidad de fasefase
147
DIAGRAMA TIPO IIDIAGRAMA TIPO II
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Diagrama Tipo IIDiagrama Tipo II
149
Diagrama de equilibrio Fe-Diagrama de equilibrio Fe-FeFe33CC
150
Principales Principales reacciones reacciones isotérmicasisotérmicas
151
%% de fases a de fases a temperatura temperatura ambienteambiente
152
% de fases a % de fases a temperatura temperatura ambienteambiente
153
Aleaciones Fe-CAleaciones Fe-C
El Fe es el elemento mayoritario en diversas aleaciones.
Las propiedades que presenta el hierro en estado casi puro son:
Es blando y dúctil (90 HB y 40 % deformación)
Posee baja resistencia mecánica (270 MPa)
Densidad: 7,87 g/cm3 (relativamente alta)
Las aleaciones Fe-C no contienen mucho % C (2-2.5%C)
Se estudia las aleaciones Fe-C hasta 6,67%C (Diagrama Fe-Fe3C)
154
Diagrama Fe-FeDiagrama Fe-Fe33C: Fases C: Fases presentespresentes
155
Reacción isotérmica Reacción isotérmica eutectoideeutectoide
156
157
Enfriamiento: Acero Enfriamiento: Acero hipoeutectoidehipoeutectoide
158
Fe-FeFe-Fe33C: Aceros C: Aceros hipoeutectoideshipoeutectoidesMicroconstituyentesMicroconstituyentes
159
Fe-FeFe-Fe33C: Aceros C: Aceros hipoeutectoideshipoeutectoides
160
Enfriamiento: Acero Enfriamiento: Acero hipereutectoidehipereutectoide
161
Microestructura: acero Microestructura: acero hipereutectoidehipereutectoide
Aceros hipereutectoides0,8 < %C < 2,0
FasesFerrita Cementita (Fe3C)
MicroconstituyentesPerlita (ferrita + Fe3C)Cementita reticular o cementita primaria.
162
Aceros al C enfriados en equilibrio Aceros al C enfriados en equilibrio MicroconstituyentesMicroconstituyentes
163
Propiedades de la Propiedades de la ferrita y cementitaferrita y cementita
164
Propiedades de la Propiedades de la perlita (gruesa)perlita (gruesa)
165
Resistencia de los aceros Resistencia de los aceros % C < 0,8% C < 0,8enfriados lentamenteenfriados lentamente
166
EjerciciosEjerciciosEl hierro puro es un metal que presenta:
a)Alta dureza
b)Alta resistencia mecánica
c)Alta ductilidad
d)Alta tenacidad
De acuerdo con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, toda aleación presentará como fases:
a)Hierro y carbono
b)Hierro y cementita
c)Ferrita y cementita
d)Ferrita, cementita y perlita
La austenita es:
a)Un solución sólida intersticial
b)Un solución sólida intersticial saturada
c)Un solución sólida intersticial sobresaturada
d)Un compuesto intersticial
167
EjerciciosEjerciciosDe acuerdo con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, cuando aumenta el contenido de carbono en un acero, a temperatura ambiente, aumentará la:
a)Ferrita
b)Cementita
c)Perlita
De acuerdo con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, a mayor contenido de carbono en un acero será más:
a)Duro
b)Resistente (mecánicamente)
c)Dúctil
d)Tenaz
La cementita es:
a)Un solución sólida intersticial no saturada
b)Un solución sólida intersticial saturada
c)Un solución sólida intersticial sobresaturada
d)Un compuesto intersticial
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ResumenResumenEl hierro
Baja resistencia, blando y alta ductilidad
Alotropía
Diagrama Fe-Fe3C
Fases: líquido, austenita, ferrita y cementita (Fe3C)
Tres reacciones isotérmicas: peritéctica, eutéctica y eutectoide
Aceros al carbono (enfriados en equilibrio)
Fases: Ferrita y Fe3C
Microconstituyentes:Acero eutectoide (%C=0.8): 100 % perlitaHipoeutéctoide (%C<0.8): ferrita y perlitaHipereutéctoide (%C>0.8): Fe3C y perlita
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BibliografíaBibliografía• Lean, P. (2007). Introducción a la ingeniería de
materiales. 1ra. Edi, Edit. PUCP, Lima, Perú.
• Smith, W. Hashemi, J. (2004). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 4ta. Edi, Edit. McGraw-Hill, México D.F., México.
• Askeland, D. (2010). Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales. 2da. Edi, Edit. Cenagage Learning, México D.F., México.
• Shackefolford, J. (1995). Ciencia de Materiales para ingenieros. 3ra. Edi, Edit. Prentice Hill, México D.F., México.
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