Estructura y propiedades de los metales

INGENIERINGENIERÍÍA DE SOLDADURAA DE SOLDADURA
Julio A. Acosta Sullcahuamán
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16/06/2008 jaasullcahuamán 2
ESTRUCTURA Y PROPIEDADESESTRUCTURA Y PROPIEDADES
DE LOS METALESDE LOS METALES
1. INTRODUCCIÓN
2. ESTRUCTURA CRISTALINA
3. DEFORMACIÓN PLÁSTICA
4. RESISTENCIA DE LOS METALES
5. DEFECTOS CRISTALINOS
6. RESISTENCIA REAL DE LOS METALES
7. MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO
8. DIFUSIÓN EN ESTADO SÓLIDO
>><<

1.1. IntroducciIntroduccióónn
Ciencia de los materiales
Disciplina científica investigación
Conocimiento básico de la estructura, propiedades y
procesamiento de los materiales
Ingeniería de materiales
Disciplina de la ingeniería aplicación
Conocimiento de los materiales Convertir los
materiales en productos necesarios para el bienestar de
la sociedad.
La Ciencia e ingeniería de los materiales combina la
ciencia de los materiales y la ingeniería de materiales
ÍNDICEÍNDICE >><<

16/06/2008 jaasullcahuamán 4ÍNDICEÍNDICE >><<
11.. IntroducciIntroduccióónn

CMC Exhaust Mixer Nozzle Ceramic Composite Brake Rotors
Immersion Tubes for Molten Aluminum
Holding Furnaces.
Turbine Engine Afterburner
High temprerature (to 3200°)
High specific strength
Excellent environmental durability
Low weight
Low porosity
Exellent toughness
Tailorable thermal-mechanical
properties
ÍNDICEÍNDICE >><<

todo puede convertirse en:
… más ligero,
… más resistente
…
… para mucho más tiempo

CMP y CMM han sido desarrollados
para aplicaciones aeroespaciales. Estos
materiales compuestos poseen una
elevada resistencia mecánica y rigidez
así como un coeficiente de expansión
térmica casi nulo.
CMP (grafito/epoxy) ha sido empleado
en la fabricación de elementos de
apoyo, paneles, antenas, antenas
parabólicas, reflectores.
CMM poseen una elevada
resistencia y conductividad
térmica, alta rigidez y
resistencia específica.
The P100/6061 Al usado en el
telescopio espacial Hubble
ÍNDICEÍNDICE >><<

“Una civilización es a la vez
desarrollada y limitada por los
materiales que dispone”
George Paget Thomson

Los metales han sido siempre elementos fundamentales en el
desarrollo de la humanidad...
¿Cómo se fabricarían: automóviles, trenes, aviones, barcos,
tractores, bicicletas, ..., etc. sin el uso de los metales?
Es obvia esta dependencia en las plantas industriales, sea
mecánica, química, eléctrica, nuclear o de cualquier otro tipo.
También , es evidente la función clave que desempeñan en los
elementos de nuestros propios hogares.
ÍNDICEÍNDICE >><<
Instalaciones sanitarias
Luz eléctrica y alumbrado
Estufas eléctricas
Refrigeradores
Lavadoras y secadoras
Hornos
Radio y televisión
Marcos de aluminio para ventanas
Sistemas de aire acondicionado.
etc.

En alguna etapa de la fabricación de estos artículos, los
metales cumplen un papel importante de modo que sería muy
difícil y, frecuentemente imposible, producirlos sin el uso de
metales.
Desde luego, además de los metales, otros materiales tienen
funciones claves en la manufactura de muchos artículos en
nuestra moderna tecnología.
El ingeniero selecciona los materiales que tienen las
propiedades físicas deseadas y que son las más económicas.
ÍNDICEÍNDICE >><<

Existen esencialmente 3 propiedades físicas principales de los
metales que explican su papel clave en el desarrollo humano:
1. Formabilidad. Sólo aproximadamente el 20% de los
metales se usa directamente en su forma de colada, casi
todos son mecánicamente formados.
2. Resistencia sin fragilidad (tenacidad). Por ejemplo, el
vidrio es muy resistente (σF del vidrio es aprox. 7σF de
las mejores aleaciones de Al ) y a la vez extremadamente
frágil, por lo que uno nunca soñaría en diseñar un ala de
avión hecha de vidrio.
3. Propiedades eléctricas y magnéticas. Baja resistividad
eléctrica y magnetización de los metales ferrosos.
ÍNDICEÍNDICE >><<

Relación estructura - propiedades – procesamiento - aplicación
ÍNDICEÍNDICE >><<

La metalurgia física se relaciona más con el efecto del arreglo
atómico y la micro estructura del metal que con sus
propiedades físicas.
Se pueden resumir estas relaciones en la siguiente tabla:
ÍNDICEÍNDICE >><<
PROPIEDAD FÍSICA
INFLUENCIA DEL
ARREGLO ATÓMICO
INFLUENCIA DE LA
MICROESTRUCTURA
Mecánica (resistencia,
ductilidad, fragilidad, etc.)
muy fuerte muy fuerte
Eléctrica y térmica
(resistividad, magnetización,
conductividad, etc.)
poca ligera a fuerte
Química (resistencia a la
corrosión, potencial
catalítico, etc.)
poca ligera a moderada

Microestructura de aceros: blando (izq.) y muy duro (der.)

Como se puede observar en la tabla:
si se controla el arreglo atómico y la micro estructura se
pueden controlar todas las propiedades físicas del metal,
pero particularmente las propiedades mecánicas.
Por tanto, intentaremos constantemente orientar nuestro
estudio hacia el control de las propiedades mecánicas de los
metales y sus aplicaciones.
El control del arreglo atómico y la microestructura se realiza por
medio de procesos tales como el colado, conformado y
tratamiento térmico.
Una de las metas de este tópico es ofrecer las bases teóricas
que permitan comprender cómo y por qué dichos procesos
controlan el arreglo atómico y la micro estructura en la forma
que lo hacen.
ÍNDICEÍNDICE >><<

Materiales cerámicos
Materiales que exhiben enlaces iónicos o covalentes o ambos
Compuestos de elementos metálicos y no metálicos de altas
temperaturas de fusión
Duros y quebradizos
Bajas conductividades eléctricas y térmicas
Ej.: productos de arcilla, porcelana, vidrio y óxidos de aluminio
Materiales poliméricos
Materiales que presentan primordialmente enlaces covalentes.
También son importantes las fuerzas de enlace secundarias
(enlaces de Van der Waals).
Constan de cadenas largas formadas por elementos de bajo
peso atómico (C, H, O y N)
Bajo punto de fusión
Baja resistencia mecánica y bajas conductividades eléctricas
Ej.: madera, plásticos, polietileno, policloruro de vinilo
ÍNDICEÍNDICE >><<

Materiales metálicos
Materiales que se caracterizan por tener enlaces metálicos.
Enlace metálico altas conductividades térmicas y eléctricas
Buena ductilidad, resistencia mecánica, tenacidad
Ejemplo: magnesio, hierro, oro, plata, aluminio, acero, etc.
Una característica común a los elementos metálicos es que
tienen solamente uno, dos o tres electrones en la capa externa,
estos se enlazan en forma relativamente libre al núcleo.
Así por ejemplo, cuando colocamos juntos un número de
átomos de aluminio (número atómico = 13), en un bloque de
aluminio, los electrones exteriores abandonan los átomos
individuales y pasan a formar un "gas de electrones" común.
Estos electrones se desplazan continuamente dentro del metal
y no pertenecen a un átomo determinado, sino al conjunto de
átomos.
ÍNDICEÍNDICE >><<

Enlace metálico
Enlace en el cual los átomos del metal ceden sus electrones a
un gas de electrones y asumen un ordenamiento regular.
ÍNDICEÍNDICE >><<
gas de
electrones
átomo de
aluminio
átomo de
aluminio
Ejemplo:
Al (z=13)

Por lo tanto, los átomos se conviertes en iones de Al +3 .
Estos se repelen entre sí, pero permanecen en el bloque
gracias a la atracción entre los electrones negativos y los iones
positivos.
Este modelo nos ayuda a entender las propiedades de los
metales.
Por ejemplo, el modelo explica la alta conductividad eléctrica
de los metales. Si aplicamos un voltaje a través del cristal, los
electrones en el gas de electrones (que están enlazados
débilmente) se moverán con facilidad, produciendo una
corriente.
También se puede entender; la ductilidad de los metales o
capacidad para deformarse sin fractura; la conductividad
térmica; la reflectividad a la luz (lustre metálico); su forma
cristalográfica en estado sólido, etc.
ÍNDICEÍNDICE >><<

Contribución relativa de los diferentes tipos de enlace a cada uno de los
materiales para ingeniería (tres tipos estructurales y los semiconductores)
Resumen

Materiales cristalinos y amorfos
a) sílice cristalina y b) vidrio de sílice
ÍNDICEÍNDICE >><<

Metales
Cu, Al, Au, Ag
etc.

2. Estructura cristalina2. Estructura cristalina
Estructura cristalina material cristalino
Los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o
periódica a lo largo de muchas distancias atómicas
Existe un orden de largo alcance los átomos se sitúan
según un patrón tridimensional repetitivo
Los átomos no permanecen fijos en sus posiciones sino
que oscilan alrededor de puntos fijos equilibrio dinámico
La red tridimensional de líneas imaginarias que conecta los
centros de los átomos se llama red espacial
La unidad más pequeña que tiene la simetría de todo el
cristal se llama celda unitaria

celda unitaria
puntos reticulares
red espacial
celda unitaria
patrón más pequeño de átomos que se repite en todas
direcciones del espacio es submicroscópica
las celdas unitarias están dispuestas en forma ordenada en
los sólidos cristalinos estructuración regular de átomos
que se mantiene a gran escala

posiciones relativas de los átomos modelo de esfera dura
•Todos los metales, muchos materiales cerámicos y ciertos
polímeros, poseen estructura cristalina.
•La estructura cristalina de un material se define según el tamaño,
la forma y el ordenamiento atómico dentro de la red espacial.
•El análisis de una red espacial se realiza estudiando su celda
unitaria, y no toda la red.

Sistemas cristalinos
Existen 14 tipos de redes cristalinas clasificados en 7
sistemas cristalinos
Los metales tienen estructuras particularmente sencillas
De las 14 retículas de Bravais, la mayoría de los metales se
forman en una de las muy sencillas estructuras siguientes:
cúbica centrada en el cuerpo ( cccu )
cúbica centrada en las caras ( ccca )
hexagonal compacta ( hc )
tetragonal
Muchos metales existen en más de una estructura cristalina,
dependiendo de la temperatura, pero en la mayoría de los casos, las
transiciones se dan entre estas 4 estructuras cristalinas. A esta
propiedad, en tanto que sea reversible, se denomina ALOTROPÍA
ÍNDICEÍNDICE >><<

Transformación alotrópica del Fe
ÍNDICEÍNDICE >><<
910°C

Existen 14 tipos de
redes cristalinas,
clasificados en 7
sistemas cristalinos
ÍNDICEÍNDICE >><<

Los tres tipos
principales de
estructuras en que
pueden cristalizar
los elementos
metálicos
ÍNDICEÍNDICE >><<

Estudio de las principales redes
cúbica centrada en el cuerpo ( cccu )
cúbica centrada en las caras ( ccca )
hexagonal compacta ( hc )
Para cada caso determinar:
parámetros de red
radio atómico ( ra ) = f [ parámetros de red ]
número de átomos por celda (n)
número de coordinación (nc): número de átomos vecinos más
próximos y que equidistan de un átomo
factor de empaquetamiento atómico (fea):
ÍNDICEÍNDICE >><<
celdaladevolumen
átomosdevolumen
fea =

Red cúbica centrada en el cuerpo ( cccu )
ÍNDICEÍNDICE >><<
parámetro de red = a
ra =
n =
nc =
fea =

parámetro de red = a
ra =
n =
nc =
fea =
Red cúbica centrada en las caras ( ccca )

Red hexagonal compacta ( hc)
ÍNDICEÍNDICE >><<
parámetros de red = a y c
ra =
n =
nc =
fea =

Estructura n ra = f (a) nc fea Metales típicos
cs 1 r = a / 2 6 0,52 Ninguno
cccu 2 r = a√3 / 4 8 0,68 Fe-α, Fe-δ, Ti, W, Mo.
ccca 4 r = a√2 / 4 12 0,74 Fe-γ, Cu, Al, Au, Ag, Pb.
hc 6* r = a / 2 12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr.

Densidad lineal
Número de átomos que tienen sus centros localizados en
una línea de dirección dada por unidad de longitud
ÍNDICEÍNDICE >><<
]hkl[
]hkl[
]hkl[
longitud
átomosn
d =
)hkl(
)hkl(
)hkl(
área
átomosn
d =
Densidad planar
Número de átomos que tienen sus centros localizados en un
área dada sobre un plano por unidad de área
En estos cálculos de la densidad, una de las reglas básicas es que un plano o
una línea debe pasar a través del centro de un átomo o no se cuenta el átomo
en los cálculos

Densidad teórica
Masa de una celda unitaria entre el volumen de dicha celda
ÍNDICEÍNDICE >><<
unitariacelda
unitariacelda
t
volumen
masa
=δ
Ejemplo: Calcular para el Cu
densidad lineal [110]
densidad planar (111)
densidad teórica

3. Deformaci3. Deformacióón pln pláásticastica
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

Desplazamiento atómico producido por un esfuerzo
cortante τ :
εσ E= γτ G=

Mecanismos de deformación plástica:
deslizamiento
maclado
deslizamiento en los límites de grano
termofluencia 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
ÍNDICEÍNDICE >><<

Los planos compactos hacen más
fácil el deslizamiento que los
planos alineados en otra dirección
respecto al esfuerzo cortante
ÍNDICEÍNDICE >><<

Sistemas de deslizamiento ccca
Planos {111}
Direcciones <110>

Sistemas de deslizamiento cccu

Sistemas de deslizamiento hc

Deslizamiento ccca
ÍNDICEÍNDICE >><<

4. Resistencia de los metales4. 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 dirección
que hace un ángulo λ con el eje de
tensión en el plano cuya normal forma
un ángulo φ con dicho eje?
AcosAe =φ
2
a
4
A
π
=
ba
4
Ae
π
=
acosb =φ
λcosF

Esfuerzo cortante resuelto (τr )
)cos(cos
A
F
r φλτ =
e
r
A
cosF λ
τ = )FS(r στ =
σ : esfuerzo de tensión y FS: factor de Schmid
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)

Resistencia teórica 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?
a2
bG
m
π
τ =

¿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?

5. Defectos cristalinos5. Defectos cristalinos
Una red cristalina ideal supone una dispoción
tridimensional de repetición perfecta
Los cristales de los metales reales tienen varios defectos,
éstos se enlistan sistemáticamente como sigue:
1. Vacancias
2. Átomos del metal (base) colocados en forma intersticial
3. Un átomo extraño colocado en forma substitucional
4. Un átomo extraño colocado en forma intersticial
5. Dislocaciones
6. Maclas o fallas de apilamiento
7. Límites de grano
8. Huecos o cavidades
9. Inclusiones
puntuales
planares
de volumen
lineales

Defectos puntuales
1. vacancia 4. átomo extraño intersticial
3. átomo extraño
pequeño sustitucional
3. átomo extraño
grande sustitucional

Dislocaciones de borde

55. Defectos. Defectos
Dislocación de
tornillo o helicoidal

Dislocaciones mixtas

Bandas y escalones de deslizamiento causadas por el
movimiento de dislocaciones (acero AISI 1010 - SEM)

66. Resistencia real de metales. Resistencia real de metales
Metales reales policristalinos

F´
E
B
R
P
F
O
66. Resistencia real de los metales. Resistencia real de los metales

Resistencia real f(densidad de dislocaciones)

Enmarañamiento de dislocaciones en límites de grano (TEM)

77. 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

Métodos de endurecimiento de los metales
7. Mecanismos de endurecimiento7. Mecanismos de endurecimiento
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.

Propiedades comportamiento a tracción
Resistencia a la tracciónCurvas de tracción

DuctilidadResistencia a la fluencia
Propiedades comportamiento a tracción

Recuperación recristalización crecimiento

T° recristalización
Trabajo en caliente
Trabajo en frío
+ recrista -
lización

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

8. Difusi8. Difusióón en estado sn en estado sóólidolido
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
>><<ÍNDICEÍNDICE

Energía de activación ( Q ). Generalmente un átomo
sustitucional requiere mayor energía que otro intersticial

Mecanismos de difusión

DIFUSIÓN SUBSTITUCIONAL
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 substitucionales
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

Difusión substitucional del
par cobre-níquel. Al final,
los átomos de cobre
están uniformemente
distribuidos en todo el
níquel

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:

Considerando el elemento diferencial de volumen para
la difusión unidireccional del experimento anterior:
Se puede demostrar la 2° ley de Fick :
t
C
]
Z
C
D[
Z
11
1
∂
∂
=
∂
∂
∂
∂
Es una ecuación diferencial parcial de C1 como variable dependiente y
Z y t como las dos variables independientes C1 = f(Z,t,D)

VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA DIFUSIÓN
Las 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

Temperatura D es una función notable de la T°
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)
RT
Q
eDD o
−
=

Estructura y propiedades de los metales

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