2. S La estructura física de los materiales sólidos de importancia en
ingeniería depende principalmente del ordenamiento de los
átomos
3. ¿cómo se ordenan?
S Moleculas que presentan un arrglo Se puede dividir en
corto y largo alcance.
S A) orden de largo alcance (OLA): Si los átomos o iones
de un sólido están ordenados de acuerdo con un patrón
que se repite en el espacio. (materiales cristalinos)
S B) orden de corto alcance (OCA): el orden existe
únicamente en la vecindad inmediata de un átomo o
molécula. (materiales amorfos)
4. Amorfos
compuestos por átomos, moléculas o iones que
no presentan una ordenación de largo alcance.
Pueden presentar ordenación de corto alcance.
5. Cristalinos
compuestos por átomos, moléculas o iones organizados de una
forma periódica en tres dimensiones. Las posiciones ocupadas
siguen una ordenación que se repite para grandes distancias
atómicas (de largo alcance).
6. Conceptos básicos sobre
materiales cristalinos.
S Estructura cristalina:
Es la forma geométrica
como átomos,
moléculas o iones se
encuentran
espacialmente
ordenados. (red +
base)
7. S Átomos o iones: son representados como esferas de
diámetro fijo.
S Red: Es una colección de puntos, llamados puntos de
red, ordenados en un patrón periódico de tal modo que
los alrededores de cada punto de la red son idénticos.
Una red puede ser uni, bi o tridimensional.
8. S Motivo o base: grupo de uno o más átomos ubicados en
forma determinada entre sí y asociados con cada punto
de red.
9. • Celda unitaria:
es la subdivisión de una red que sigue
conservando las características generales
de toda la red. Al apilar celdas unitarias se
puede construir toda la red.
10. Parámetro de Red: La
geometría de la celda
unitaria es descrita en
términos de seis
parámetros: La longitud de
las tres aristas del
paralelepípedo (a, b y c) y
los tres ángulos entre las
aristas (α, βy γ).
11. Existen 14 tipos de Tipos diferentes de arreglos o
celdas unitarias únicas llamadas redes de Bravais (en
honor del francés Auguste Bravais (1811 – 1863) uno
de los primeros cristalógrafos) agrupadas en 7
sistemas cristalinos:
15. Radios atómico vs
parámetros de red, para
estructuras cúbicas
En las celdas SC, BCC Y
FCC
a0=2r
a0=
4𝑟
3
a0=
4𝑟
2
16. Es la fracción de espacio de la celda unitaria que es
ocupada por átomos.
FEA=
(𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎)(𝑣𝑜𝑙ú𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑜)
𝑉𝑜𝑙ú𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎
Factor de empaquetamiento
17. Número z (número de
coordinación)
S Hace referencia a los número vecinos o puntos vecinos
que rodean a un átomo
S Máximo pueden existir 12 por el acomodo de las
estructuras cristalinas (FCC)
18. Redes cúbicas sencillas
S Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad.
P/e Mercurio
S Rara vez se ven en la naturaleza ( solo dan una particula
por unidad de celda)
19. Redes cúbicas centradas en
un cuerpo (BCC)
La cubica centrada en el cuerpo o BCC, tiene las
siguientes características:
• La relación entre el radio atómico, R, y la
arista del cubo, a, es dada por: a=4R/√3
• El número de átomos por celda unitaria es
igual a 2
• El número de coordinación es igual a 8
Alguno ejemplos son Fe-alfa, cromo, tungsteno y
al molibdeno.
Los materiales con estructuras BCC son
resistentes a la deformación.
20. Redes cúbicas centradas en
las caras (FCC)
La Cubica centrada en las caras o FCC,
cuenta con las siguientes características:
• La relación entre el radio atómico, R, y
la arista del cubo, a, es dada por:
a=2R√2
• El numero de átomos por celda unitaria
es igual a 4
• El numero de coordinación es igual a
12
Ejemplos pueden ser el aluminio, cobre,
oro y el plomo.
La característica principal de estos
elementos es que según sus propiedades
es mas ductil que el BCC.
21. Red hexagonal compacta
sus características son:
• La relación entre la altura y la arista del
hexágono es igual 1. 633
• El numero de átomos por celda unitaria
es igual a 6
• El numero de coordinación es igual a 12
• Y su factor de empaquetamiento es
igual a 0.74
Como ejemplos tenemos al cadmio y al
cobalto.
24. S Mediante las imperfecciones se crean materiales y
aleaciones mas resistentes.
S Todos los materiales contienen impurezas. Estas
impurezas o defectos alteran sus propiedades físicas y
mecánicas.
25. Se clasifican en:
S Imperfecciones están presentes en todos los cristales
S Las imperfecciones se clasifican dependiendo su forma y
geometría:
A. Defectos puntuales
B. Defectos de línea
C. Planares
D. Volumétricos
26. PUNTUALES (dureza y
conductividad)
Defecto de Vacancia
S Son las imperfecciones más comunes en los cristales. Se
dan hasta una por cada 10000 átomos
S Se originan cuando hay un reordenamiento de átomos
27. PUNTUALES
Defectos Intersticiales
S Generalmente este tipo de defecto introduce
relativamente grandes distorsiones en los alrededores
puesto que normalmente el átomo es sustancialmente
más grande que la posición intersticial en la que se sitúa.
28.
29. IMPUREZAS EN SÓLIDOS
a) Un Átomo es remplazado por otro A. diferente (sustitución)
b) Un Átomo se coloca entre los huecos (intersticio)
S # de átomos del Solvente > # de átomos que el soluto
30. Ejemplo hierro/carbón
(Intersticio)
S Intersticio
S Se aumenta su resistencia mecánica
S Estas distorsiones hacen que el acero presente mayor resistencia a
las deformaciones plásticas que el Hierro puro, haciendo al acero un
material mas resistente que el hierro.
Carbono intersticial (átomo más pequeño) en la solución
de C en Fe
34. Defectos de
línea/dislocaciones (def.
plástica)
S Son defectos de línea
S Se crea por inserción de un semiplano adicional de
átomos dentro de la red. Los átomos a lado y lado del
semiplano insertado se encuentran distorsionados.
S Se crean durante la solidificación de los sólidos
cristalinos o por deformación plástica
35. DISLOCACIÓN DE CUÑA
S Se crea por inserción de un semiplano adicional de
átomos dentro de la red. Los átomos a lado y lado del
semiplano insertado se encuentran distorsionados. Los
átomos por encima de la línea de dislocación, que se
encuentra perpendicular al plano de la página, en el
punto
39. S Los materiales pueden sufrir deformación elástica y deformación
plástica.
S Esta relacionado con la ductilidad.
S Las dislocaciones de desplazan con la aplicación de fuerza.
S Facilidad/Dificultad para deformar plásticamente
S La resistencia mecánica se puede aumentar reduciendo la movilidad
de las dislocaciones.
40. NUMERO DE VACANTES
S EJERCICIO.
S Calcular el numero de vacantes por metro cubico en el Cu a
1000° C. La energía de activación para la formación de
vacantes es de 0.9 eV/átomo. El peso atómico del cobre es
de 63.5 g/mol y la densidad de 8.96
𝑔
𝑚𝑙3.
41. Formula:
S 𝑁. 𝑉 = 𝑁
−𝑄
𝐾𝑇
S Donde:
S N.V=numero de vacantes (vacantes/𝑚3)
S N=Numero de átomos en la estructura (átomos/𝑚3
)
S Q= energía de activación (eV)
S K= constante de Boltzmann (eV/K)
S T = temperatura en Kelvin
45. DEFECTOS PLANARES
S son los planos que separan regiones de material que
tienen diferente orientación cristalográfica e incluso
diferente estructura
S Se extiende el plano en dos direcciones para formar una
frontera o limite.
S Los defectos más importantes lo constituyen las
superficies externas, los límites de grano, los defectos de
apilamiento y limites de macla.
46. SUPERFICIES EXTERNAS
S la superficie de los
materiales se considera
defecto porque
representa el fin brusco
de la estructura
cristalina.
S los átomos de la
superficie están
entrelazados a otros
átomos solo por un lado
y estos tienen un menor
número de vecinos.
47. SUPERFICIES EXTERNAS
S Los enlaces y el numero de coordinación de los átomos
en la superficie son menores que los átomos del interior,
lo que provoca un aumento de su energía y su
reactividad.
48. LÍMITES DE GRANO
GRANO: porción de material con un ordenamiento idéntico
de los Átomos
Las orientaciones de los
granos cambian y de la
separación entre ellos se
genera una región en la
que los átomos no están
igualmente esparcidos y se
producen situaciones de
comprensión y tensión.
49. LÍMITES DE GRANO
S En la superficie de los materiales se da un incremento
energético y un incremento en la reactividad en esas
regiones.
S los átomos de las impurezas se colocarán
fundamentalmente en esas regiones variando la
composición química del material por zonas.
50.
51. TAMAÑO DE GRANO
S Las propiedades
del material
dependen de el
tamaño de los
granos.
S Si el tamaño de
grano es pequeño
aumentará el área
de los limites y la
reactividad del
material.
S Por el contrario, la
propagación de
las dislocaciones
se ve dificultada y
aumenta la
resistencia del
material.
52. Cálculo teórico del tamaño de
grano
El tamaño de grano se expresa, según norma ASTM, mediante el
número G obtenido de la expresión:
Número de granos / pulg2 a 100X = 2G-1
S Donde G es el número de tamaño de grano de uno a ocho;
este método se aplica a metales que han recristalizado
completamente.
S
53. Según el mismo
criterio, se
considera:
grano grueso
cuando G < 5
(diámetro de grano
62 micras)
grano fino cuando
G > 7 (diámetro de
grano 32 micras)
Cálculo teórico del tamaño de
grano
54. Grado de desalineamiento
Cuanto mayor el ángulo, mayor el incremento de energía de
la región fronteriza.
S Cuando los ángulos son muy pequeños (limites de
grano de bajo ángulo), se originan por dislocaciones de
arista o helicoidales consecutivas alineadas en una
dirección.
55.
56. Límites de grano en metales
S En los metales los límites de grano se crean durante la solidificación cuando los
cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente y se
encuentran unos con otros.
S El empaquetamiento atómico de los límites de grano es algo menor que dentro de
los granos.
S El bajo empaquetamiento atómico también permite la difusión más rápida de los
átomos en la región de los bordes de grano.
S La energía más alta de los bordes de grano y su estructura más abierta hacen de
ellos una región más favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados.
S A temperaturas normales los bordes de grano limitan el flujo plástico que permite el
movimiento de dislocaciones.
57. Corrosión intergranular
S Es un deterioro por corrosión localizada y/o adyacente a los
limites de grano de una aleación
S Bajo condiciones ordinarias, si un metal se corroe
uniformemente, los limites de grano serán sólo ligeramente
más reactivos
S Bajo otras condiciones, las regiones de límite de grano pueden
ser muy reactivas, resultando una corrosión intergranular que
origina pérdida de la resistencia de la aleación e incluso la
desintegración en los límites de grano.
58. S Se da en los
aceros inoxidables
austeníticos (18%
Cr 8% Ni) cuando
son calentados o
enfriados
lentamente a
través del rango de
temperaturas de
500 a 800ºC.
S En este rango de
temperaturas,
sensibilizado, los
carburos de cromo
(Cr23C6) pueden
precipitar en las
interfaces del limite
de grano
Microestructura de
acero inoxidable
59. DEFECTOS DE
APILAMIENTO
S Se da en Metales con
estructura FCC . Son
irregularidades en la
secuencia de planos
cristalinos en la
estructura.
60. DEFECTOS DE
APILAMIENTO
S En una región localizada del cristal existe un error de
apilamiento (intrínseco)ISF cuando desaparece un plano
atómico de una doble cara junto con el adyacente de
otra
S Si aparece un plano“extra” en un proceso inverso al
anterior. Entonces el defecto y el plano se conocen como
extrínsecos (ESF).
62. LÍMITES DE MACLA
S Límite de grano
que tiene
simetría de red
especular: los
átomos de un
lado del límite
son imágenes
especulares de
los átomos del
otro lado.
63. Las maclas se forman
normalmente por
desplazamientos atómicos
producidos por efecto de
fuerzas deformantes y durante
los tratamientos térmicos
(especialmente los FCC).
S Se producen a través de
una determinada dirección
preferente de la estructura
cristalina. La presencia de
estos defectos impide la
propagación de las
dislocaciones y aumenta la
resistencia de los
materiales excepto en la
dirección de la macla.
65. S Los defectos volumétricos se forman de un grupo de átomos o
defectos puntuales que se unen para formar un vacío
tridimensional
S También pueden unirse un grupo de átomos de alguna
impureza y formar un precipitado tridimensional
S El tamaño del defecto puede variar de nanómetros a
centímetros, o hasta más. Este defecto pude ampliarse a una
región amorfa dentro de un material poli cristalino.
DEFECTOS VOLUMÉTRICOS
66. S Este tipo de defectos
implica que la
naturaleza
tridimensional del
cristal queda rota por
la presencia del
defecto.
S Se consideran
defectos
tridimensionales a las
inclusiones dentro de
la masa cristalina, que
son consecuencia del
proceso de
Inclusión
(mineralogía).
Sustancia extraña que
impurifica los
minerales.
67.
68. DEFECTOS VOLUMÉTRICOS
Estos defectos aparecen por:
S La mala selección de material
S Mal diseño de piezas mecánicas
S Control inadecuado en la solidificación de los materiales
S Tratamientos térmicos mal hechos
71. Alotropía
S El concepto de alotropía fue propuesto originalmente en
1841 por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius
S Se define como la capacidad que poseen algunos
materiales para existir en más de una forma o estructura
cristalina en la misma fase o estado de la materia.
72. S Él termino alotropía suele reservarse para hacer
referencia de este comportamiento en elementos puros
mientras que el término polimorfismo se usa para
elementos compuestos.
73. S La existencia de una estructura cristalina u otra va a
depender de la temperatura y presión exteriores.
S La transformación alotrópica a menudo repercute en la
densidad y en las propiedades físicas del material de ahí
el interés de su estudio en áreas como la ingeniería
74. Ejemplo
S Materiales con una estructura cúbica centrada en el
cuerpo serán duros y resistentes mientras que los de
estructura cúbica centrada en las caras serán materiales
más blandos y fácilmente conformables.
75.
76. S La alotropía suele ser más evidente en los no-metales
(con exclusión de los halógenos y los gases nobles) y
metaloides aunque también los metales tienden a formar
variedades alotrópicas.
77. ¿Qué ocurre?
S En la transformación alotrópica se produce una
absorción de calor al ser calentado o en el caso del
enfriamiento, un desprendimiento de calor latente
verificándose estos procesos a temperatura constante; la
denominada temperatura de transformación alotrópica.
78. Estaño
S El estaño es otro de los metal que presenta el fenómeno
de alotropía. Sus formas alotrópicas mas conocidas son
el estaño gris y el estaño blanco.
S El estaño gris, no metálico, tiene estructura cúbica y es
estable a temperaturas por debajo de 13,2 ºC
S El estaño blanco, metálico, de estructura tetragonal que
existe de manera estable por encima de esa
temperatura
79. Carbono
S Sus variedades alotrópicas son: el diamante con
estructura tetraédrica, el grafito con estructura hexagonal
y los fulerenos.
S Los fulerenos forman una familia entera de formas
alotrópicas distintas que llaman la atención por la belleza
de sus estructuras.
80.
81.
82. Fosforo
S El fósforo es tan bien uno de los ejemplos clásicos de
alotropía. Sus formas alotrópicas mas comunes son el
fósforo blanco, rojo, violeta y negro.
83. Titanio
S El titanio es otro de los metales alotrópicos, a
temperatura ambiente tiene estructura hexagonal
compacta llamada fase alfa. Por encima de 882 ºC
presenta estructura cúbica centrada en el cuerpo
conocida como fase beta.
84. Oxígeno
S El oxígeno también es un material alotrópico. Sus
principales formas alotrópicas son: O2 (dioxígeno) y O3
(ozono) que de todos es conocido su importancia para
proteger la Tierra de la radiación ultravioleta procedente
del sol.
85. Otros materiales
S Otros materiales alótropos son: el nitrógeno, azufre,
selenio, boro, germanio, silicio, arsénico y antimonio por
mencionar algunos.
87. QUE ES UNA ALEACIÓN
S Las aleaciones se obtienen fundiendo los diversos
metales en un mismo crisol (recipiente de material
refractario que sirve para fundir) y dejando luego
solidificar la solución líquida formando una estructura
granular cristalina apreciable a simple vista o con el
microscopio óptico.
88. ESTRUCTURAS DE
ALEACIONES
S Las sustancias puras (metales) cristalizan siempre según
el mismo tipo de estructura cristalina. Esta estructura
cristalina puede cambiar con la temperatura o con la
presión .
89. EJEMPLO
S El hierro puro si se enfría desde una temperatura superior a
1536ºC (punto de fusión del hierro) y este enfriamiento se
hace muy lentamente a 1536ºC el líquido (hierro fundido) se
trasforma en cristales de hierro puro con estructura cúbica
centrada en el interior.
S Si se continúa el enfriamiento, a 1398ºC los cristales BCC se
transforman en FCC
90. S Las aleaciones se fabrican generalmente mezclando los
componentes en estado líquido y con una solidificación
posterior. Cuando se produce esta solidificación de mezclas,
los cristales a los que da lugar pueden ser de distinto tipo.
Según el tipo de cristales que se produzcan se habla de:
Soluciones sólidas
91. S Se dice que un determinado cristal es una solución sólida de
un metal B en uno A cuando los átomos de B se incorporan a
la red cristalina de A sin provocar un cambio de estructura, si
bien en general van a provocar unas ciertas deformaciones
en la red.
S Las soluciones sólidas pueden ser de dos tipos:
Sustitucionales
Intersticiales
92. S En las soluciones sólidas sustitucionales los átomos de B se
colocan sustituyendo algunos átomos de A en la red, tal y
como se representa en la figura de abajo
93. S Las soluciones sólidas intersticiales son aquellas en las que
los átomos de B se colocan en posiciones huecas dejadas
entre los átomos de A en la red.
94. PROBLEMA
S El radio atómico del Fe es de 1,29 A. el radio atómico del
N es 0,75 A. Determinar el tamaño del elemento
intersticial que cabe sin alterar la red en el caso del Fe α
(BCC) y del Fe γ (FCC) y deducir cómo puede influir esto
en la solubilidad del N en Fe siendo el N intersticial.
97. Solución (FCC)
S d^2= a^2+a^2
S d=2√(a^2)
S d=d√2=4RFe
S 4RFe=a2+ a2
S 4RFe=√(2a^2)
S 4RFe=a√(2)
d
a
a
4Rfe
a
a
98. Despejando a:
S ((4RFe)⁄(√2))= a
S ((4RFe)⁄(√2))= 2RFe +
Despejando
S ((4RFe)⁄(√2))= 2RFe +
S = ((4RFe)⁄(√2)) - 2RFe
Sustituyendo
S = ((4(1.29))⁄(√2)) – 2(1.29) = 1.068
Φ
Φ
Φ
Φ
Φ
a= 2RFe +Φ
99. Solución (BCC)
S x^2= a^2 + a^2
S x^2= 2a^2
S d^2= a^2 + 2a^2
S d=√(3a^2)
S d= a√3 ; d= 4RFe
S a√3 = 4RFe
d
a
a
a
x
100. Despejando a:
S a= ((4RFe)⁄(√3)) ; a= 2RFe + ϕ
S ((4RFe)⁄(√3)) = 2RFe + ϕ
Despejando ϕ:
S ϕ=(4RFe)⁄(√3)) - 2RFe
Sustituyendo:
S ϕ= (4(1.29))⁄(√3)) – 2(1.29)= 0.40
101. S En la BCC el intersticio es menor que en FCC (0,40 A<1,06 A)
por tanto la solubilidad sólida intersticial del Fe BCC es
mucho menor que la del Fe FCC.
S El Fe BCC sólo admite hasta 0,10% de N, mientras que el Fe
FCC admite hasta el 2% de N.
103. Tratamiento térmico
S El Tratamiento Térmico involucra varios procesos de
calentamiento y enfriamiento para efectuar cambios
estructurales en un material, los cuales modifican sus
propiedades mecánicas. El objetivo de los tratamientos
térmicos es proporcionar a los materiales unas
propiedades específicas adecuadas para su
conformación o uso final. No modifican la composición
química de los materiales, pero si otros factores tales
como los constituyentes estructurales y la granulometría,
y como consecuencia las propiedades mecánicas.
104. Etapas del tratamiento térmico
Un tratamiento térmico consta de tres etapas que se presentan a
continuación:
•Calentamiento hasta la temperatura fijada:
La elevación de temperatura debe ser uniforme en la pieza.
•Permanencia a la temperatura fijada:
Su fin es la completa transformación del constituyente estructural de partida.
Puede considerarse suficiente una permanencia de unos 2 minutos por
milímetro de espesor.
•Enfriamiento: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado en
función del tipo de tratamiento que se realice.
105. 3 TIPOS DE TRATAMIENTOS
TÉRMICOS
S Existen varios tipos de Tratamientos Térmicos, pero en
ésta práctica solo se trabajarán tres de estos: Recocido,
Temple y Revenido. A continuación se presentan las
principales características de cada uno de estos tipos de
Tratamientos Térmicos
106. Recocido
S Es un tratamiento térmico que normalmente consiste en
calentar un material metálico a temperatura elevada
durante largo tiempo, con objeto de bajar la densidad de
dislocaciones y, de esta manera, impartir ductilidad.
107. Temple
S El Temple es un tratamiento térmico que tiene por
objetivo aumentar la dureza y resistencia mecánica del
material, transformando toda la masa en Austenita con el
calentamiento y después, por medio de un enfriamiento
brusco (con aceites, agua o salmuera), se convierte en
Martensita, que es el constituyente duro típico de los
aceros templados
108. Revenido
S Durante el revenido, se forma una mezcla íntima de ferrita y cementita a partir de la
martensita. El tratamiento de revenido controla las propiedades físicas del acero.
S Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero, (después de haberle
realizado un Temple o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto crítico (o
temperatura de recristalización), seguido de un enfriamiento controlado que puede
ser rápido cuando se pretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se
pretende reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar
deformaciones.
S Es muy importante aclarar que con la realización del proceso de Revenido no se
eliminan los efectos del Temple, solo se modifican, ya que se consigue disminuir la
dureza y tensiones internas para lograr de ésta manera aumentar la tenacidad.