TEMA 1. CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL DE LOS MATERIALES

TEMA 1.
CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL
DE LOS
MATERIALES
MATERIALES METÁLICOS
• Materiales Metálicos: materiales que poseen propiedades y características
metálicas.
•
•
•
•
•
•
Opacidad
Conductividad eléctrica y térmica
Ductilidad
Alta densidad
Temperaturas fusión elevadas
Brillo metálico
• Aleaciones: Importancia industrial
2,5
ACERO AL CARBONO
2 0,5
15
ACEROS ALEADOS Y
FUNDICIONES
ALUMINIO Y ALEACIONES
COBRE Y ALEACIONES
80
RESTO
2
Estructura de los metales puros
1. Enlace metálico.
2. Estructura cristalina (FCC,BCC, HC).
3. Vidrios metálicos
ENLACE METÁLICO
• Enlaces a través del mar de electrones de valencia donados
(1, 2, or 3 de cada atómo).
+
+
+
+
+
+
+
+
+
• Enlace primario en metales y aleaciones metálicas
• Tendencia al empaquetamiento
compacto
• Usualmente un único elemento
con lo que todos los radios
atómicos son idénticos
• Enlace metálico no direccional
• Las distancias entre los vecinos
más próximos tienden a ser
pequeñas para minimizar la
energía de enlace
• Estructuras simples
3
Redes de Bravais
4
Estructura BCC
Red: BCC
Base estructural: (0,0,0)
•
Cr, Fe, Mo, V, W
•
Número átomos/celdilla = 2
•
Densidad atómica= 2/a3
•
Radio atómico
•
Índice de coordinación = 8
a 3 = 4R
• Factor de empaquetamiento =
• Direcciones compactas [111]
4
πR
3
⎛ 4 R ⎞
⎜
⎟
3 ⎠
⎝
2
3
3
• Planos compactos (110)
5
Estructura FCC
•
Ag, Al, Au, Cu, Ni, Pb, Pt
•
Número átomos/celdilla = 4
•
Densidad atómica= 4/a3
•
Radio atómico
•
Índice de coordinación = 12
•
4
π R
3
Factor empaquetamiento =
⎛ 4 R ⎞
⎜
⎟
2 ⎠
⎝
a 2 = 4R
4
Red: FCC
Base estructural: (0,0,0)
•
Direcciones compactas [110]
•
Planos compactos (111)
3
3
6
Densidad teórica,ρ
# atoms/unit cell
n
A
ρ=
Vc N A
Volume/unit cell
(cm 3 /unit cell)
Atomic weight (g/mol)
Avogadro's number
(6.023 x 10 23 atoms/mol)
Estructura = FCC: 4 atoms/celda unidad
Peso atómico = 63.55 g/mol
Ejemplo: Cu
R = 0.128 nm
ρ teórica = 8.89 gr/cm3
ρ real = 8.94 gr/cm3
Volumen de la celdilla = a3 = 4.75 • 10 −23 cm3
7
Estructura HC
Red: Hexagonal centrada en las caras
Base estructural: (0,0,0) (1/3, 2/3, c/2)
A sitios
•Capa superior
B sitios
•Capa intermedia
A sitios
• 3D Proyección
• 2D Projection
Índice de coordinacion = 12, si c/a= 1,63
Índice de coordinacion = 6, si
•Capa inferior
c
≠ 1.63
a
2R = a
R
a =
2
Factor de empaquetamiento atómico = 0.74
8
FCC-HC: Similitud
ABCABC... Secuencia de apilamiento
2D Proyección
•A
•A
•B
•B
•C
•A
•A sitios
•B
•A
•B
•C sitios
FCC …. ABCABCABC…
HC …. ABABABAB…..
•A
•A
•B
•C
•C
•B sitios
•C
•C
•A
•B
•B
•C
A
B
C
FCC Celda Unidad
9
Microestructura
• Monocristales
Anisotropia:
dirección.
las
propiedades
E (diagonal) = 273 GPa
varian
con
la
Ejemplo: Módulo de elasticidad (E) en
BCC hierro
E (edge) = 125 GPa
• Policristales
Las propiedades pueden/no pueden variar con la
dirección.
-Si los granos están orientados al azar:
isotrópicos.
(Epoly iron = 210 GPa)
-Si los granos estan deformados son anisotrópicos.
Ri = 0.079a
10
Defectos de la estructura cristalina
Defectos Puntuales
Defectos Lineales
Defectos Superficiales
•
•
•
•
Vacantes
Átomos intersticiales
Impurezas
Defecto de Frenkel
• Dislocaciones
• Bordes de grano
11
Defectos puntuales
Vacantes
Vacancy
distortion
of planes
•
Puede producirse durante la solidificación por perturbaciones locales durante
el crecimiento de los cristales o por reordenamientos atómicos en el cristal ya
formado como consecuencia de la movilidad de los átomos.
•
Son las imperfecciones más comunes en los cristales. Se dan hasta una por
cada 10000 átomos.
•
Las vacantes pueden trasladarse cambiando su posición con sus vecinos. Este
proceso es importante en la migración o difusión de los átomos en el estado
sólido, sobre todo a altas temperaturas donde la movilidad de los átomos es
mayor.
12
Defectos puntuales
Átomos intersticiales:
(importantes en los procesos de difusión)
distortion
of planes
selfinterstitial
Defecto de Frenkel:
•
Es una imperfección combinada
Vacante + Defecto intersticial.
•
Ocurre cuando un ión salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial
dejando entonces una vacante con carga eléctrica.
13
Defectos puntuales
Impurezas
¾ Sustitucionales: el soluto o las impurezas
reemplazan a átomos originales.
¾ Intersticiales: los átomos de las impurezas
llenan los vacíos o intersticios dentro del
material original.
(ej. Solución sólida
de Cu en Ni)
(ej. Solución sólida
de C en Fe)
¾ Incoherentes con la matriz: Solución sólida de B en A y partículas de una nueva
fase (con diferente composición y a menudo diferente estructura).
14
Defectos lineales
Dislocaciones
¾ Gran influencia en el comportamiento mecánico, favorecen deslizamiento en planos
cristalinos, originando deformación permanente (plástica).
¾Tipos de dislocaciones:
Dislocación de borde
Dislocación helicoidal
Dislocación Mixtas
15
Defectos lineales
Efecto de la deformación plástica de una probeta de Zinc (HCP):
Despues de
la elongación
a tracción
Antes de la
deformación
Influencia de las dislocaciones en los mecanismos de deformación:
¾ Las dislocaciones aumentan los planos de deslizamiento
¾ La línea de la dislocación se desplaza fácilmente y origina la deformación
¾ La línea de la dislocación separa la parte de material deslizado de la izquierda especto
a la no deslizada de la derecha.
¾ El movimiento de la dislocación requiere el desplazamiento de un semiplano de átomos
(desde la izquierda a la derecha) sobre el otro fijo.
¾Los enlaces a través de los planos de deslizamiento se rompen y se forman otros nuevos
en sucesión lo que requiere de sólo un ligero rearreglo de los átomos.
16
Movimiento de las dislocaciones
Vista atómica del movimiento de una
dislocacion de borde desde la izquierda
hasta la derecha al deformar el cristal
Movimiento de diferentes tipos de
dislocaciones para originar idéntico
corte.
17
Defectos Superficiales
Bordes de grano
¾Son límites entre los cristales que constituyen el material policristalino.
¾Se originan el el proceso de solidificación.
¾ A traves de ellos cambia la orientación del cristal.
¾Constituyen un impedimento al movimiento de las dislocaciones.
microscocopio
Superficie pulida
Superficie atacada
Borde de grano
•Bordes
•De grano
•Fe-Cr alloy
18
MATERIALES CERÁMICOS
Materiales Cerámicos: propiedades y características.
•
•
•
•
•
•
Materiales inorgánicos no metálicos
Materiales policristalinos o amorfos
Carácter no metálico
Enlace iónico/covalente → estabilidad → ↑ Tª fusión
Materiales duros y frágiles (↓ tenacidad y ductilidad)
Aislantes eléctricos y térmicos
Tipos de cerámicos
Dos grupos principales:
¾ Cerámicos tradicionales: a partir de arcilla, sílice y feldespato
(porcelanas, ladrillos, vidrio, etc.)
¾ Cerámicos avanzados: formados por compuestos tales como
Al2O3, SiC, Si3Ni4
19
Importancia industrial
Aplicaciones:
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Sustratos de circuitos, semiconductores
Dieléctricos de condensadores
Cerámicos piezoeléctricos
Prismas y lentes en tecnología láser
Energía nuclear: combustibles, pantallas absorbentes
Quemadores e intercambiadores de calor
Elementos de motores térmicos
Matrices de extrusión y herramientas de mecanizado
Limitaciones: debidas a su fragilidad característica
¾ Alta sensibilidad ante defectos (poros, inclusiones) que actúan como
concentradores de tensiones
¾ Dificultades en cuanto al diseño
¾ Elevado precio
20
Estructura de los cerámicos
¾ Tiene un % de carácter iónico y un % de carácter covalente
¾ El % de carácter iónico aumenta con la diferencia de electronegatividad
CaF
: dif.
large
CaF2:2↑
H
2.1
Li
1.0
Be
1.5
Na
0.9
Mg
1.2
K
0.8
Ca
1.0
Rb
0.8
He
-
C
2.5
Si
1.8
F
4.0
Ne
-
Cl
3.0
Ar
-
Br
2.8
Kr
-
Sr
1.0
I
2.5
Xe
-
Cs
0.7
Ba
0.9
At
2.2
Rn
-
Fr
0.7
Ra
0.9
SiC:
SiC: small
↓ dif.
Ti
1.5
Cr
1.6
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
As
2.0
Table
of Electronegativities
Tabla de
electronegatividades
21
Cerámicos iónicos
Dos factores definen la estructura y el grado de compactación de los cerámicos iónicos:
¾ La carga eléctrica de los iones: el cristal debe ser
eléctricamente neutro
¾ Los tamaños relativos de aniones y cationes
• Estructura estable ↔ el catión está en contacto con
todos los aniones que le rodean.
• Número de coordinación (NC) es el número de aniones
más próximos a un catión.
• NC → rc/ra con el que se da el contacto
22
Estructuras de cerámicos AX
Cloruro sódico NaCl
¾Red: FCC
¾Base
estructural:
Cl-(0,0,0)
Na+(1/2,0,0)
¾a= 2R(Na+)+2R(Cl-)
¾NC =6 (aniones y cationes)
¾FCC para aniones
¾Cationes en todos los huecos octaédricos
¾Otros cerámicos: NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO
23
Estructuras de cerámicos AnXp
Fluorita (CaF2)
¾NC
=4 (aniones), 8 (cationes)
¾FCC
¾F-
para Ca2+
en todos los huecos tetraédricos
¾Base
estructural:
•
Ca2+(0,0,0)
•
F-(1/4,1/4,1/4) (1/4,-1/4,1/4)
¾Parámetro
¾Otros
de red:
(
) ( )
a 3
= r Ca 2+ + r F −
4
cerámicos: UO2, BaF2, AuAl2, PbMg2
24
Estructuras de cerámicos AnBmXp
Perouskita o perovskita (BaTiO3)
¾Cúbica
¾Ti4+
simple para Ba2+
en el centro del cubo
¾O2- en
¾Base
los centros de las seis caras
estructural:
•
Ba2+ (0,0,0)
•
O2-(1/2,1/2,0),(1/2,0,1/2) (0,1/2,1/2)
•
Ti4+ (1/4,1/4,1/4)
¾CaZrO3,
SrZrO3
¾Importante
para piezoeléctricos
25
Cerámicos amorfos
Formadas básicamente por silicio y oxígeno
¾ A partir de combinaciones de tetraedros SiO44- , donde cada átomo de Si
esta unido a cuatro átomos de O situados en los vértices de un tetraedro
¾
¾
Si los 4 oxígenos del tetraedro SiO44- son compartidos, se forma una red
tridimensional de sílice (SiO2), que puede ser cristalina o amorfa
Los vidrios inorgánicos más
comunes (recipientes,
ventanas) llevan óxidos
(B2O3, CaO, Na2O) que
saturan valencias
favoreciendo el estado
amorfo
26
Aleaciones cerámicas
¾
Mejorar la tenacidad a la fractura
¾
Conseguir una densificación total
¾
Los óxidos fundidos tienen gran solubilidad entre sí y
solidifican en una o más fases (diagramas de equilibrio)
27
MATERIALES PLÁSTICOS
Polietileno.
a) Representación esquemática
de la unidad monomérica y de la
cadena.
b) Perspectiva de la cadena,
indicando la disposición en
zigzag
Interés industrial
Evolución de la producción mundial de
plásticos en millones de toneladas.
1.
Baja densidad.
2.
Relación σ/peso adecuada a
múltiples aplicaciones.
3.
Aislantes térmicos y eléctricos.
4.
Elevada ductilidad.
5.
Resistencia
al
medioambiental.
6.
Facilidad de conformado.
7.
Capacidad para”fabricarlos a
medida” y en grandes series.
(Bajo precio)
deterioro
Métodos de Polimerización
Adicción
POLIMERIZACIÓN: Encadenamiento de monómeros
Condensación
POLIMERIZACIÓN POR ADICCIÓN
Estructura del monómero y la
cadena para (a)PTFE, (b) PVC (c) PP
Métodos de Polimerización
POLIMERIZACIÓN
POR CONDENSACIÓN
Polímeros
¾
Homopolímeros: Todas las unidades de la
cadena de la misma naturaleza.
¾
Copolímeros: Unidades monoméricas de
distinta naturaleza
De ambos métodos resultan:
Existen dos formas para expresar el tamaño medio de la cadena de un polímero:
M = ∑ xiMi
¾
Peso molecular medio:
¾
Grado de polimerización:
η=
M
m
, donde xi = fracción del nº
total de moléculas con peso
molecular Mi
, donde m = peso
molecular del monómero
Polímeros
Estructura Química
Naturaleza de los monómeros
Los aspectos que configuran la estructura
química de un polímero son:
Forma en que se enlazan
para formar las cadenas
Configuración de la cadena
MONÓMEROS Y FORMA EN QUE SE ENLAZAN
a.
Presencia de átomos de O, S, halógenos, N, Si y sustituyentes aromáticos en
los monómeros.
b.
Diversas posibilidades de enlace en el caso de monómeros asimétricos.
Estructura Química
c.
Uniones en copolímeros
d.
Según el grado de funcionalidad del monómero
Estructura Química
CONFIGURACIÓN DE LA CADENA
a.
Disposición de grupos laterales
b.
Configuración de los dobles enlaces
Caucho natural
Gutapercha
Estructura Química
Estructura Física
La estructura física viene determinada por la organización de las moléculas en el estado
sólido
Disposición de las cadenas en la celdilla unidad de
polietileno
Disposición
de las
cadenas en
los planos
cristalinos
Estructura Física
Modelo de micelas o franjas
Fotomicrografia de la estructura
esferulítica del polietileno ( x 525 )
Clasificación Estructural
Dos grandes grupos en función del comportamiento térmico derivado de su
configuración estructural.
¾Termoplásticos: Funden
• Cadenas lineales o de baja ramificación
independientes.
• Semicristalinos o amorfos
¾Termoestables: No funden
• Ramificados, entrecruzados o reticulares
• Amorfos
Estructura de polímeros
termoestables y termofijos
MATERIALES COMPUESTOS
Concepto:
•Combinan dos o más materiales distinguibles físicamente y separables mecánicamente
•Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y
separadas por una intercara
•Sus propiedades son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes
(sinergia)
Propiedades:
•Excelentes propiedades mecánicas en relación al
peso
•Disminución del peso de los componentes
Limitaciones:
•Dificultades en la fabricación
•Mayor rendimiento y ahorro energético
•Incompatibilidades entre
materiales
•Mantenimiento de propiedades a altas temperaturas
•Elevado coste
•Elevada resistencia a la corrosión y estabilidad
térmica
•Aplicación: transporte, aeronáutica, deporte
41
Configuración Estructural
Fase
matriz
Carácter continuo
Transmite las
tensiones al agente
reforzante
Responsable de las
propiedades físicas y
químicas
Agente reforzante
Carácter
disperso
Responsable de las propiedades
mecánicas
42
Configuración Estructural: Características
Naturaleza y proporción las fases
Propiedades finales
M.C.
particulados
Geometría y distribución del agente
reforzante
M.C.
enfibrados
M.C.
estructurales
43
Clasificación Estructural
MATERIALES COMPUESTOS PARTICULADOS
Partículas < 1 μm
Por dispersión
Obstaculizar el movimiento de las
dislocaciones de la matriz
↑ σR
Partículas ≥ 1 μm
Verdaderos
Impedir la fluencia de la matriz
44
Clasificación Estructural
Ejemplo de M.C. particulado por dispersión: PAS
•
Matriz de aluminio
•
Agente reforzante: alúmina
Clasificación Estructural
VERDADEROS COMPUESTOS PARTICULADOS
Matriz
caucho
vulcanizado
Partículas WC
Partículas de negro
de humo
Matriz Co
46
Clasificación Estructural
COMPUESTOS ENFIBRADOS
Fibra continua unidireccional
Fibra continua ortogonal
Fibra discontinua
Fibra continua bidirecc. capas
47
Clasificación Estructural
LONGITUD CRÍTICA DE FIBRA
En los extremos de la fibra no hay transmisión de carga desde la matriz
48
Clasificación Estructural
LONGITUD CRÍTICA DE FIBRA
σf ⋅ d
lc =
τc
lc: longitud crítica
σf: resistencia a la tracción de la
fibra
τc: resistencia a la cizalladura de la
matriz
d: diámetro de la fibra
49
Clasificación Estructural
M.C. LAMINARES
•
Están formados por láminas o capas
•
Cada capa es un material enfibrado
•
La orientación de la dirección de
reforzamiento puede variar en capas
sucesivas
M.C. ESTRUCTURALES
PANELES SANDWICH
•
•
•
Están formados por láminas alternas
de diferentes materiales:
Condensadores eléctricos multicapas
(Al + mica)
Estructura en “panal” muy utilizada
en la industria aeroespacial
Panel sandwich con un núcleo en panal
50
Comparativa: Comportamiento mecánico/Tª
C. enfibrado: Al+fibra de boro
Aleaciones metálicas de Al tratadas térmicamente
C. reforzado por dispersión: PAS
51