Estructura y cristalizacion de metales. Alumno

Materiales Metálicos – 2do. Ingeniería Mecánica
ESTRUCTURA Y CRISTALIZACION
DE LOS METALES
Ing. Víctor Gómez
U. T. N
Facultad Regional Tucumán
► METALURGIA FISICA
Es la ciencia que se ocupa de estudiar las características físicas y mecánicas de los
metales y aleaciones. Esta rama estudia las propiedades de estos, según tres
direcciones.
Composición química. Tratamiento mecánico. Tratamiento térmico.
TEORIA DEL ESTADO METALICO
Las partículas de un sólido (iones, moléculas) poseen un movimiento de oscilación
dentro de espacios definidos, por lo que poseen una cierta energía cinética. Estas
partículas poseen potentes fuerzas de atracción electrostáticas que dan por resultado
estructuras perfectamente regulares en relación a su ordenamiento siendo a su vez
incompresibles.
Existen dos clases de sólidos:
Sólidos cristalinos o verdaderos: En estos las partículas están distribuidas en forma
ordenada, formando cristales limitados por caras planas. Los sólidos verdaderos son
los metales y sus aleaciones.
Sólidos vítreos o amorfos o no verdaderos: (Plásticos, vidrios, resinas, etc.) En
estos las partículas están distribuidas en forma desordenada, no poseen forma
geométrica. Su constitución interna presenta una distribución desordenada, sus átomos
están distribuidos al azar y no tienen o no forman estructuras geométricamente
definidas. Al romperse, presentan una fractura curva.
T
f
t
Distribución de los átomos en los cuerpos sólidos
Átomo: Antes de continuar, presentamos una breve reseña sobre los átomos. En el año
1.874 el ingles WILLIAM CROOKES, experimentó con descargas eléctricas dentro de un
tubo en el cual se había realizado vacío, descubrió que los llamados rayos catódicos
podía proyectar la imagen de una pequeña rueda de paleta colocada en el tubo, sobre
una pared cubierta por un material fluorescente, esto lo convenció de que los rayos eran
de naturaleza material y que poseían cargas positivas y negativas, por su desviación en
campo magnético. Luego siguieron numerosos estudios y experimentos como los de J.
THOMSON en 1.897, ERNEST RUTHERFORD en 1.911, hasta que en 1.917 el científico
danés NIELS BOHR ideó un modelo dinámico de átomo que es el que se emplea por
ahora y que para nuestras aplicaciones basta. El núcleo está formado por Protones, de
carga positiva y Neutrones que no tienen carga eléctrica. Los electrones tienen carga
negativa y se mantienen cerca del núcleo por atracción electrostática. Como las
cantidades de electrones y protones son iguales, el átomo es eléctricamente neutro.
Diagrama esquemático de un Tubo de CROOKES. A es una fuente de baja tensión que
calienta el cátodo C. B es una fuente de alto voltaje que suministra tensión al ánodo
revestido de fósforo P. La máscara M está conectada al potencial del cátodo y su imagen
se proyecta en los fósforos como el área no brillante.
Historia
J. THOMSON
1.897
E.
RUTHERFORD
1.911
N. BOHR
1.917
•Este último modelo de átomo basta para
nuestro fines, sin embargo debemos aclarar
que muchas de las propiedades de los
electrones, no pueden ser explicadas por
este modelo y si por el modelo atómico de
la mecánica cuántica. En este modelo el
electrón presenta características tanto de
onda como de partícula. El electrón ya no
es considerado como una partícula que se
mueve en un orbital discreto. Su posición
pasa a ser considerada como la
probabilidad de encontrar un electrón en un
lugar próximo del núcleo
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL
La estructura de un material puede ser estudiada en 4 niveles, Estructura atómica, arreglo de átomos,
microestructura y macroestructura. Para comprender y controlar la microestructura y la macroestructura de
los diversos materiales, debemos entender las estructuras atómica y cristalina.
Estructura del átomo: Está compuesto de un núcleo rodeado por electrones. El núcleo contiene neutrones y
protones de carga positiva. Los electrones, de carga negativa, están sujetos al núcleo por atracción
electrostática. La Carga eléctrica q que lleva cada electrón y cada protón es de 1,60 x 10⁻19 Coulomb (C).
Dado que el número de electrones y protones de un átomo es el mismo, en su conjunto el átomo es
eléctricamente neutro. El Número Ató
Atómico de un elemento es igual al número de electrones o de protones
en cada átomo. Un átomo de hierro que contiene 26 electrones y 26 protones, tiene un número atómico
de 26. La mayor parte del Peso de un átomo se encuentra en el núcleo, la masa de cada protón y cada
neutrón es de 1,67 x 10 ⁻24 g, la de cada electrón es de solamente 9,11 x 10⁻28 g.
Valencia:
Valencia La valencia de un átomo se relaciona con la capacidad del mismos para entrara en combinación
química con otros elementos. Por ejemplo el agua H-O-H, H. valencia = 1, O. valencia = 2. Hay elementos
que tiene mas de un valor de valencia.
Estabilidad ató
atómica y electro negatividad:
negatividad Hay elementos que tienen valencia cero, el elemento es inerte,
como el Argón. La electro negatividad, es la tendencia de un átomo a ganar electrones. El Aluminio tiene
3 electrones en su orbita externa, los cuales son cedidos con facilidad, los enlaces atómicos y el
comportamiento químico del Aluminio, quedan determinados por este mecanismo. En el caso del Cloro,
este es fuertemente electro negativo, acepta electrones con facilidad. Los elementos electro positivos,
ceden electrones con facilidad. Ejemplo de esto es el Calcio.
2–8-7
Arreglo ató
atómico:
mico El arreglo atómico juega un papel importante en la microestructura y en el comportamiento
del material sólido. Por ejemplo, el arreglo atómico en el Aluminio, proporciona una buena ductilidad, en el
Hierro es la causa de una buena resistencia.
La Celda Unitaria, es la subdivisión mas pequeña de la red cristalina que sigue conservando las
características generales de toda la red. Al apilar las celdas unitarias, se puede construir toda la red. Se
identifican 14 tipos de redes cristalinas o Redes de BRAVAIS. Los puntos de la red están localizados en
las esquinas de las celdas y en algunos casos en el centro y en las caras de las celdas.
Enlace atómico
Es característico del estado sólido, que todos los sólidos verdaderos exhiban una estructura cristalina
que significa un arreglo geométrico definido de átomos. Algunos materiales, como el vidrio son
rígidos a la temperatura ambiente, pero no tienen un arreglo uniforme y constante sino una
distribución al azar, típica de los líquidos, por eso también se los conoce como líquidos sobre
enfriados. ¿ Que mantiene juntos a los átomos o moléculas de un sólido?. Hay cuatro tipos de
enlace posible.
1) Enlace iónico
2) Enlace covalente
3) Enlace metálico
4) Enlace de Van der Waals
1) Enlace iónico: Cloruro de sodio. Sal común de mesa.
2) Enlace covalente: Agua y Amoniaco
3) Enlace metálico: Plata
TABLA PERIODICA
CELDAS, MALLAS Y REDES
Cuando los metales se solidifican a partir de un estado líquido, los átomos se reorganizan en varias
configuraciones ordenadas, llamadas, cristales. Este arreglo de los átomos en el cristal se conoce
como estructura cristalina. El grupo mas pequeño de átomos que muestra la estructura de red
característica de un metal, se conoce como celda unitaria.
• Estructura cristalina. Es la forma geométrica de cómo, átomos, moléculas o iones se encuentran
espacialmente ordenados. Los Átomos o iones son representados como esferas de diámetro fijo.
• Reticulado: Arreglo tridimensional de puntos en el que cada punto tiene los mismos vecinos.
• Celda unitaria: Es el menor grupo de átomos representativo de una determinada estructura
cristalina.
• Número de Coordinación : El número de átomos que tocan a otro en particular, es decir el numero
de vecinos mas cercanos, indica que tan estrechamente están empaquetados los átomos.
• Parámetro de Red : Longitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos entre estos lados.
Los arreglos atómicos básicos mas comunes en los metales son:
•Cúbico centrado en el cuerpo (BCC) – Hierro alfa, cromo, molibdeno, tantalio, tungsteno, vanadio.
•Cúbico centrado en las caras (FCC) – Hierro gama, aluminio, cobre, níquel, plomo, plata, oro,
platino.
•Hexagonal compacto (HCP) – Berilio, cadmio, cobalto, magnesio, titanio, zinc, circonio.
Redes de BRAVAIS: Existen 14 posibles redes cristalinas, de las cuales veremos seis y
estudiaremos tres.
ESTRUCTURA CUBICA SIMPLE:
CUBICO DE CUERPO CENTRADO
CUBICO DE CARA CENTRADA
EXAGONAL
COMPACTO
PROPIEDADES DE LAS CELDAS
Números de átomos por celda: Cada celda unitaria tiene asociada un número promedio de
puntos de red. Por ejemplo, en la celda BCC, cada átomo de los vértices, es compartido por 8
celdas diferentes. Esto equivale a plantear que solamente 1/8 de cada átomo pertenece a la
celda, si tenemos 8 átomos en total de vértices, entonces podremos plantear que 1/8 x 8 = 1.
Si tenemos en cuenta que tenemos un átomo en el centro de la celda, decimos que el Número
de átomos = 1 + 1 = 2. Para la celda FCC, para los átomos ubicados en los vértices se repite
el mismo análisis, 1/8 x 8 = 1, para los átomos de las caras, los mismos son compartidos por
las celdas vecinas a la celda original, o sea, 6 x ½ = 3. Así, el Número de átomos para FCC =
1 + 3 = 4 átomos por celda.
Relación entre el Radio atómico y el Parámetro de red: Debido a la geometría de la celda
unitaria, existe una relación matemática entre el radio de los átomos que la componen y el
parámetro de red. Para los átomos que forman una estructura BCC los átomos se tocan entre
sí a lo largo de la diagonal principal del cubo y luego de algunas deducciones geométricas a =
4r / √3. En la estructura FCC, los átomos se tocan entre sí a lo largo de la diagonal de cada
una de las caras y la relación entre el parámetro de red y el radio atómico es a = 4r / √2,
donde r es el radio atómico.
ESTRUCTURA BCC
4r
a
√2.a
a = 4r / √3
ESTRUCTURA FCC
a
a = 4r / √2
4r
a
Número de coordinación: Es el número de átomos que están en contacto con un átomo en
particular del material. El número de coordinación puede interpretarse como el número de
átomos vecinos próximos que tiene cada átomo del material. En la estructura BCC, el átomo
ubicado en el centro del cubo está en contacto con los 8 átomos de los vértices. El número de
coordinación para esta estructura es 8. Para la celda simple es 6 y para la FCC y HCP es 12,
que es el valor máximo.
Factor o Grado de empaquetamiento: Es la fracción del volumen de la celda unitaria que es
ocupada por los átomos.
FE = GE = [(Número de átomos por celda) x (Volumen de un átomo)] / (Volumen de la
celda unitaria)
Imperfecciones en las Redes
Vacancias: Se producen cuando faltan átomos en el ordenamiento cristalográfico. Es el
defecto puntual mas simple.
Intersticiales: Se producen con átomos de la misma naturaleza o cuando se efectúa una
aleación. Algunos se localizan u ocupan espacios libres en al red.
Dislocaciones: Se producen cuando existen planos cristalográficos incompletos
VACANCIAS
INTERSTICIALES
DISLOCACIONES
ALEACION INTERSTICIAL
Estructura cristalina del Hierro. Puntos críticos
ANÁLISIS DE LA CURVA DE FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO PURO.
En el intervalo entre los 1535 °C y 1400 °C, el hier ro tiene la red cristalina "cúbica centrada en el cuerpo“ (BCC
por sus siglas en inglés), con sus distancias interatómicas (parámetros) iguales a 2.93 Å ( Armstrong, 1 Å = 10-8
cm.), y se denomina hierro delta. A los 1400°C, se realiza la reestructuración de la red cúbica centrada en el
cuerpo y pasa a ser una red cúbica centrada en las caras (cristalización secundaria), con sus parámetros más
grandes e iguales a 3.65 Armstrong, llamado hierro gama. En el intervalo entre 1400 y 898 °C, el hierr o se
encuentra en la forma alotrópica γ. A la temperatura de 898 °C, la red cúbica centrada en las caras, Fe gama, se
transforma en la red cúbica centrada en el cuerpo Fe beta, con el parámetro de la red menor que las otras dos e
igual a 2.90 Å; esto nos da a entender que el hierro, al igual que todas las sustancias, al enfriarse se contrae. A la
temperatura de 750ºC, la red del hierro es cúbica centrada en el cuerpo, pero con su parámetro disminuye a 2.88
Å, denominado hierro alfa. El tramo horizontal en la curva de enfriamiento a 750°C (A2), no está ligada con el
cambio de estructura de la red (salvo que las distancias interatómicas disminuyen de 2.90 a 2.88 Angstrom), sino
con el surgimiento de propiedades magnéticas en el hierro posee a temperaturas menores. A temperaturas
superiores a 750°C, el Fe beta no es magnético
Poliformismo y Alotropía : Es la propiedad que tiene un metal de existir en mas de un tipo de red espacial, si
esta propiedad es reversible se denomina Alotropía y si es irreversible se lo llama Poliformismo.
Estados alotrópicos del hierro
Para comprender los mecanismos por los cuales se rigen los tratamientos térmicos es necesario conocer
previamente las transformaciones estructurales que sufre el hierro cuando se cambia su temperatura. Cuando se
calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta su estado líquido, sufre una serie de transformaciones en
su estructura cristalina. A las diferentes estructuras que aparecen cuando se produce este calentamiento se las
denomina estados alotrópicos. En el hierro se pueden distinguir cuatro estados alotrópicos.
Hierro alfa: El hierro alfa se presenta a temperaturas inferiores a los 768ºC. Presenta una cristalización según el
sistema cúbico centrado de cuerpo. No disuelve el carbono y tiene carácter magnético. A los 768ºC pierde el
magnetismo. Mientras dura esta transformación la temperatura permanece constante. Las temperaturas a las
cuales tienen lugar estas transformaciones se denominan puntos críticos y son representados mediante la letra A.
Cuando se trata de un enfriamiento Ar, y si es un calentamiento Ac. La capacidad que posee el hierro alfa para
formar soluciones sólidas es muy débil porque los espacios interatómicos disponibles son muy pequeños. La
máxima cantidad de carbono que pueden disolver es de 0,025 %. Este estado recibe el nombre de ferrita.
Hierro beta: Es muy similar al hierro alfa. Se forma a temperaturas comprendidas entre 768ºC y 900ºC,
cristalizando en el sistema cúbico centrado de cuerpo. Se diferencia principalmente del hierro alfa en que no es
magnético. Desde el punto de vista metalográfico y mecánico tiene poco interés.
Hierro gamma: Se forma a temperaturas comprendidas entre los 900 y los 1400ºC. Cristaliza en el sistema
cúbico centrado de caras (FCC). Tiene gran capacidad para formar soluciones sólidas, ya que dispone de
espacios interatómicos grandes. Puede disolver hasta un 2% de carbono. Esta solución recibe el nombre de
austenita.
Hierro delta: Se forma a temperaturas comprendidas entre los 1400 y 1539ºC. Cristaliza en red cúbica centrada
de cuerpo (BCC). Debido a que aparece a elevadas temperaturas, tiene poca importancia en el estudio de los
tratamientos térmicos y tampoco tiene aplicación siderúrgica.
•Todas las transformaciones alotrópicas van acompañadas de un cambio de volumen. este hecho se puede
apreciar con la ayuda de un dilatómetro.
Grafico de enfriamiento y calentamiento del Fe puro
Fe α = 2,86 Å
Fe β = 2,88 Å
Fe δ = 2,93 Å
Fe γ = 3,65 Å
Å = Armstrong
Nm = Nanó
Nanómetro μ = Micra
Átomo de Fe = 0,124 Nm
1 Å = 10⁻
10⁻10 m
1nm = 10⁻
10⁻9 m
Átomo de C = 0,071 Nm
1 nm = 10 Å
1 micra = 10⁻
10⁻6 m