Estructura de los Materiales PDF

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES Propiedades del sólido → dependen de la disposición de átomos y fuerzas de enlace entre ellos. Según el ordenamiento atómico – Metales → ductilidad – Cerámicos → fragilidad – Polímeros → comportamiento heterogéneo El concepto que se utiliza para describir la regular...

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES Propiedades del sólido → dependen de la disposición de átomos y fuerzas de enlace entre ellos. Según el ordenamiento atómico – Metales → ductilidad – Cerámicos → fragilidad – Polímeros → comportamiento heterogéneo El concepto que se utiliza para describir la regularidad en el empaquetamiento atómico es el orden. Existen 3 niveles de organización de los átomos 1. DESORDEN: Átomos y moléculas carecen de estado ordenado. Gases y líquidos. Ej: Ar (átomos distribuidos aleatoriamente en el espacio que ocupa el gas). 2. ORDEN CORTO ALCANCE: Distribución regular de los átomos restringida a los circunvecinos. Ej: molécula de H2O (ordenamiento limitado por enlaces covalentes entre átomos de H y O con ángulos de enlace de 104°). En estado vapor distribución aleatoria. Ej: Sílice (SiO2): orden de corto alcance. Estructura tetraédrica, unión covalente de cuatro átomos de O con uno de Si (con ángulos de enlace de 109°). Unidades tetraédricas se unen de forma aleatoria → vidrios amorfos. Ej: Polietileno: Ordenamiento de corto alcance: enlace covalente átomos C-H monómero Distribución de cadenas al azar en el espacio. 3. ORDEN LARGO ALCANCE: Átomos muestran ordenamiento general o de largo alcance que se distribuye por todo el material → metales, muchos cerámicos y algunos polímeros. - RED O RETÍCULA Conjunto de puntos (puntos reticulares) que siguen patrón regular. Cada átomo tiene: ordenamiento de corto alcance → inmediaciones de cada punto idénticas ordenamiento de largo alcance → la red se distribuye regular y uniformemente en todo el material - BASE ATÓMICA Grupo de átomos que a modo de molécula se repite en cada punto reticular. En muchos materiales en cada punto reticular sólo hay un átomo, pero puede ocurrir que no sea así. RED + BASE = ESTRUCTURA CRISTALINA Atendiendo al diferente grado de ordenación que puede existir en un material existen 3 tipos de sólidos: 1. Monocristalinos → ordenación de largo alcance, único cristal sin cambios de orientación. 2. Policristalinos → ordenación de largo alcance, asociación de cristales con diferente orientación  Granos (cristales con diferente orientación)  Límites de grano (separa dos granos, suele producirse desajuste atómico) 3. Amorfo→ ordenamiento de corto alcance ESTRUCTURA CRISTALINA Celdilla unidad: Menor subdivisión de la red que tiene las características generales de toda la retícula. Apilando celdas siguiendo la misma orientación en las tres direcciones del espacio  colocación de átomos en sus posiciones correctas en el cristal. Existen: 14 tipos de celdillas unitarias → Redes de Bravais. 7 sistemas cristalinos. Nos centraremos en: CARACTERÍSTICAS DE LAS REDES CRISTALINAS 1) Parámetros de red: parámetros reticulares que describen el sistema cristalino, el tamaño y la forma de la celdilla unidad → Lados de las celdas unidad (a, b, c) → ángulos que forman sus ejes (, , ) 2) Número de átomos por celdilla unidad: Cada celdilla tiene un número específico de puntos reticulares. Estos pueden estar compartidos por más de una celdilla.  Producto de átomos por punto reticular multiplicado por el número de puntos de red por celda unidad. 3) Radio atómico en función del parámetro de red: - Considerar átomos como si fueran esferas - Buscar dirección compacta en la celda - Determinar geométricamente la longitud relativa del radio en función de parámetros de red 4) Número/índice de coordinación: Número de átomos en contacto con un átomo en particular 5) Factor de empaquetamiento atómico (FEA): Fracción del espacio ocupada por átomos.  6) Densidad de un sólido considerando el modelo de esferas rígidas. ➔ Densidad planar: nº de átomos que existen en un plano por unidad de superficie ➔ Densidad lineal: nº de diámetros de átomo localizados en una dirección para una determinada longitud Materiales metálicos Cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Cúbica centrada en las caras (FCC) Hexagonal compacta (HCP) REDES METÁLICAS. ESTRUCTURAS COMPACTAS Apilamientos compactos de esferas – Esferas apiladas representan átomos o iones – Apilar en capas esferas de igual tamaño de la forma más compacta posible – En una capa, cada esfera queda rodeada de otras seis esferas. Isotropía: material con propiedades aproximadamente iguales en todas las direcciones. Anisotropía: diferentes propiedades según la dirección. TRANSFORMACIONES ALOTRÓPICAS Materiales que poseen más de una estructura cristalina. Generalmente depende de P y T. Normalmente implican un cambio volumétrico. Fe: Fe BCC ( Tª) → 912 ºC→ Fe FCC ( Tª) Ti: Ti HCP ( Tª) → 885 ºC → Ti BCC ( Tª) Sn: Sn Cdiamante ( Tª) → 13,2 ºC → Snβ BCT ( Tª)  PESTE DEL ESTAÑO IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS Según la geometría del defecto: DEFECTOS CRISTALINOS 1. DEFECTOS DE PUNTO. VACANTES Dimensiones atómicas en las 3 direcciones del espacio Se originan por el movimiento de átomos durante el calentamiento o procesado del material, introducción de impurezas o por aleación. Se subdividen en: VACANTES ▪ Posición reticular de un cristal no ocupada por un átomo. ▪ Existencia de vacantes → explica fenómeno de difusión en estado sólido ▪ Se producen durante la solidificación y como consecuencia de vibraciones térmicas que desplazan a los átomos de sus posiciones reticulares ▪ En los sólidos a T  0 K (-272 ºC)  átomos con vibraciones térmicas ▪ Al elevar T → aumenta la amplitud media de la vibración ▪ Para que un átomo abandone una posición reticular dejando un lugar vacante → su E vibracional debe ser mayor que la energía de activación por átomo (Ev) La probabilidad de que esto ocurra: P = A exp (-Ev/kT) Dos posibilidades:  Átomo desplazado pase a ocupar una posición intersticial → átomo auto-intersticial  Átomo se mueve hacia una posición superficial en la red Defecto Frenkel: átomo pasa a ocupar posición intersticial dejando una vacante (autointersticial). Defecto Schottky: átomo se mueve a posición superficial de la red dejando una vacante simple. Número de vacantes en equilibrio Nv para una cantidad determinada de material se incrementa con la temperatura según la ecuación: Nv = N exp (-Q/kT)  Nv/N = Ce = A·exp(-Ev/kT) La energía de formación de defectos, Ev, a una temperatura dada, depende del tipo de material En metales la proporción de defectos de estos dos tipos es muy pequeña Defectos Frenkel → importantes en cristales que poseen redes abiertas, pueden acomodar átomos intersticiales sin mucha distorsión. Estructuras con bajos índices de coordinación → ZnS  Defectos Schottky → mayor proporción en cristales con alto índice de coordinación → NaCl Procesos importantes en materiales sólidos (recristalización, precipitación, …) tienen lugar por movimiento de átomos en el cristal Conocimiento de vacantes en equilibrio es importante, ya que la difusión de átomos sustitucionales se produce por mecanismo de vacantes Impurezas en sólidos Aleaciones → se añaden átomos distintos al metal base para conseguir unas determinadas propiedades Ej. Plata de Ley (92.5 % plata, 7.5 % cobre para mejorar propiedades mecánicas) Añadiendo átomos de impurezas a un metal se forma una solución sólida y/o una nueva fase dependiendo del tipo de impureza, concentración y temperatura de la aleación. Pueden aparecer defectos puntuales debido a impurezas de dos tipos: Intersticiales → átomos de impurezas llenan los intersticios atómicos del disolvente Sustitucionales → átomos de soluto sustituyen a los átomos de disolvente. Existen leyes que determinan el grado de solubilidad → Soluciones Sólidas Posiciones intersticiales → huecos entre átomos de la red donde se pueden colocar otros átomos Átomo intersticial con radio ligeramente mayor al radio de la posición intersticial se introduce desplazando átomos Si el átomo intersticial es demasiado grande, se introduce en un sitio con un nº de coordinación mayor Huecos tetraédricos: nº coordinación 4 y huecos octaédricos: nº coordinación 6 Átomos con radio inferior al radio del hueco no se acomodan → situación no estable – Huecos octaédricos (n) BCC: caras del cubo FCC: centro del cubo y centro de aristas – Huecos tetraédricos (2n) Mecanismos de difusión Se requiere: espacio libre y energía Por vacantes ▪ Intercambio de un átomo de una posición reticular normal a una vacante ▪ Depende del nº de vacantes y de la energía de activación para el intercambio Intersticial Los átomos se mueven de una posición intersticial a otra vecina desocupada Tiene lugar por interdifusión de átomos pequeños: H, C, N.  2. DEFECTOS DE LÍNEA. DISLOCACIONES - Ausencia o presencia extra de un semiplano de átomos en una zona determinada de un cristal - Aparecen durante la solidificación de materiales cristalinos y como consecuencia de la aplicación de tensiones → Prácticamente todos los cristales tienen dislocaciones - Tienen la capacidad de desplazarse en el cristal por la aplicación de una carga, siendo así las responsables de los procesos de deformación plástica - Permiten explicar discrepancias entre tensión teórica y experimental para deformar plásticamente un cristal perfecto Dislocación de vértice o borde: En un cristal se introduce medio plano de átomos → se genera defecto de línea (distorsión en el borde del plano extra: arriba compresión y abajo tracción) Magnitud y dirección del deslizamiento originado por el movimiento de una única dislocación → b → vector de Burgers Dislocación helicoidal → planos reticulares forman una espiral alrededor de la línea de dislocación. Es paralela a su vector de Burgers. Se mueve en dirección perpendicular al vector de Burgers 3. DEFECTOS DE SUPERFICIE. LÍMITES DE GRANO ▪ Es la interfase entre cristales que poseen diferente orientación cristalográfica, composición o dimensiones de la celdilla unidad ▪ Constituyen la superficie que separa los granos → zona estrecha donde los átomos no se encuentran espaciados de forma apropiada ▪ Los límites de grano son áreas de alta energía → esta región es más favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitado Límite de grano posee elevada energía → es un defecto de no equilibrio Con la Tª y el tiempo, el cristal tiende a rebajar su energía libre → reduciendo el área total ocupada por los límites de grano → crecimiento de grano, esferoidización o engrosamiento de partícula ➔ CON LA TEMPERATURA → CONTROL PROP. METAL: ECUACIÓN HALL-PETCH Reducción del tamaño de grano →  nº de granos →  límites de grano → obstaculiza el movimiento de las dislocaciones CÁLCULO DEL TAMAÑO DEL GRANO 1º) N = densidad de granos (nº de granos/mm2) 2º) G (tamaño de grano) 3º) d (diámetro medio de grano) Fallas de apilamiento: Error en secuencia de apilamiento de planos compactos. Se produce en metales FCC y HC Ej: ABCABCABC Red FCC perfecta ABCABABCABC Existe plano A en vez de C Fallas de apilamiento interfieren en el proceso de deslizamiento Límite de macla: que separa dos partes de un grano que tienen una diferencia en la orientación cristalográfica → una parte de la red es una imagen especular de la porción vecina → plano que actúa como espejo es el límite de macla 50 - Maclas de recocido → se forman cuando ciertos cristales son tratados térmicamente después de trabajarlos en frío y son consecuencia de la regeneración estructural (recristalización) Son rectas y muy anchas. - Maclas de deformación → son bandas estrechas de aspecto lenticular Se forman durante el movimiento de las dislocaciones - Importancia → se pone en juego nuevos sistemas de deslizamiento por el cambio de orientación producido INFLUENCIA DE LOS DEFECTOS EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS - Dislocación: El encuentro entre varias dislocaciones produce interacciones → se requiere mayor esfuerzo → metal más resistente. Al aumentar el nº de dislocaciones → aumenta la resistencia del metal → endurecimiento por deformación. - Límite de grano:  límites de grano → Reducción del tamaño de grano → + granos → > obstáculo al movimiento de las dislocaciones → aumenta la resistencia del metal. - Límite de macla: Obstaculiza el movimiento de las dislocaciones → aumenta la resistencia del metal. OBSERVACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA Metalografía: técnica que revela la organización espacial de fases y compuestos que conforman un material metálico Se pueden observar: a) Los diversos compuestos y fases b) Las diferentes formas y tamaños que adoptan en la estructura c) Las diversas configuraciones entre las fases y compuesto Etapas: a) Selección de la muestra: corte de la zona que se quiere observar b) Preparación metalografía de las probetas: desbaste y pulido para obtener una superficie pulida para su observación por el microscopio c) Observación de las probetas por microscopía: Óptica y electrónica d) Tratamiento de la información PREPARACIÓN METALOGRÁFICAS 1. Corte. 2. Embutición. 3. Debaste y pulido. 4. Ataque químico. MICROSCOPÍA ÓPTICA - Microscopio metalúrgico: Comparado con tipo biológico, difiere en la manera en que la muestra es iluminada - Muestra metalográfica es opaca, debe ser iluminada con luz reflejada MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA SEM (hasta 50.000 x) TEM (hasta 1.000.000 x )