Tecnología de materiales

Tecnologías, Información
y Cultura Europea
TECNOLOGIA
DE MATERIALES
Prof. Judit Molera Marimon
10 de octubre 2011
www.uvic.cat
Tecnología de materiales
material: porción de materia sólida a la que se li piden unas
propiedades útiles para determinadas aplicaciones.
materiales sólidos
materia
Material ≠ materias primas
o reactivos químicos
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Tecnología de materiales
Ingeniería de los materiales: disciplina que se ocupa del estudio de los
materiales en relación a sus propiedades, estructura, procesamiento y
aplicaciones.
APLICACIONES
PROCESAMIENTO
PROPIEDADES
ESTRUCTURA
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Clasificación de los materiales
NO-METALES
METALES
más
electronegativos
más electropositivos
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Clasificación de los materiales
ENLACE IÓNICO
ENLACE
COVALENTE
ENLACE METÁLICO
Enlace covalente: entre átomos no metálicos. Como ningún átomo no tiene tendencia a ceder
electrones, en un enlace covalente los electrones se comparten.
Enlace iónico: entre un metal y un no-metal. Hay una transferencia electrónica de un átomo a
otro formándose iones de diferente signo que se atraen por fuerza electrostática.
Enlace metálico: entre átomos metálicos. Cada átomo cede un o dos electrones que acaban
moviéndose libremente por el material.
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Clasificación de los materiales
ENLACE IÓNICO
ENLACE
COVALENTE
ENLACE METÁLICO
Materiales metálicos: enlace metálico
Materiales cerámicos: enlace iónico o covalente.
Materiales poliméricos o polímeros: formados per grandes moléculas de carbono,
enlace covalente.
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Clasificación de los materiales
En general los materiales en dónde domina el enlace covalente o iónico son frágiles,
duros, son males conductores eléctricos y presentan un elevado punto de fusión.
En cambio, los materiales metálicos son en general tenaces, dúctiles, buenos
conductores eléctricos y térmicos y, además, son buenos absorbentes de la luz, lo
que les da un brillo metálico característico.
• Pero existen materiales metálicos aislantes o muy resistentes como el Nicrom
NiCr.
• Los mejores superconductores son materiales cerámicos.
• Existen polímeros conductores y muy duros que se emplean en la
construcción.
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Clasificación de los materiales
Los enlaces covalente e iónico son dos casos límite que corresponden respectivamente a una
diferencia nula o muy grande de electronegatividad de los átomos implicados en el enlace.
Para situaciones intermedias, existe el enlace mixto-iónico covalente. Cuanta más pequeña es
la diferencia de electronegatividad de los átomos, más naturaleza covalente tiene el enlace. En
cambio, cuanto más diferentes son las electronegatividades, más naturaleza iónica tiene el
enlace mixto.
También existe el enlace metálico-covalente o enlace mixto metálico-iónico en este caso entre
metales de diferente electronegatividad. El enlace metálico-iónico da lugar a los compuestos
intermetálicos, con interesantes propiedades tecnológicas para la obtención de aleaciones
resistentes.
También existen enlaces secundarios que están asociados a asimetrías en la distribución de la
carga en los átomos o moléculas (dipolos) conocidos también con el nombre de enlaces de van
der Waals y, en general, son débiles y no dan lugar a sólidos por si solos. Pero en polímeros y
cementos estos enlaces hacen un papel muy importante en los enlace por puente de hidrógeno.
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La direccionalidad de los enlaces
Los enlaces covalentes sólo se pueden establecer en unas direcciones
determinadas. El enlace es direccional.
2
C
--
Exemple:CO
CO 2
Ejemplo:
O --
O
Si intentamos
Si intentem desplazar este
desplaçar
aquest oxigen oxígeno el enlace se
l’enllaç
rompe
es trenca
Electrons
compartits
electrones compartidos
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La direccionalidad de los enlaces
Enlace iónico: una vez el átomo ha perdido 1 o 2 electrones adquiere una forma
perfectamente esférica:
La fuerza de Coulomb entre los dos iones Cl- i Na+ sólo depende de la distancia
mutua y no de la dirección (Ley de Coulomb).
Es un enlace adireccional.
-
Cl
Atracció de Coulomb
d
+
Na
e2
F=k 2
d
Na+
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Cl-
Na+
10
La direccionalidad de los enlaces
Enlace metálico: los electrones compartidos no ocupan posiciones determinadas
entre los átomos. Es un enlace adireccional.
Cationes
Cations
Mar d’electrons
Mar de electrones
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Propiedades mecánicas
Esencialmente les propiedades mecánicas hacen referencia a la deformación o fractura que
experimenta un material bajo la acción de fuerzas externas.
Relación esfuerzo-deformación en el
régimen elástico. Ley de Hooke
Definición de deformación
L0
L
unidades :
∆L
Elongación:
∆L≡L-L0
Deformación unitaria:
L − L0 ∆ L
ε=
=
L0
L0
m milla km
=
=
= 1 , es adimensional.
m milla km
Deformación en %: ε(%) =
L − L0
× 100 = ε× 100
L0
La mayoría de los materiales cumplen
la Ley de Hooke:
σ = E ⋅ε
↔ ε=
1
σ
E
El esfuerzo σ y la deformación ε son
proporcionales. La constante de
proporcionalidad, E, es característica de
cada material y se denomina:
σ
• Módulo de Young.
• Módulo elástico.
• Módulo de rigidez.
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Pendiente, E
(modulo de Young)
0
0
ε
12
Propiedades mecánicas
500
400
σ (MPa)
Limite elástico y resistencia
deformac ió al màxim de la corba
σu
σy límite elástico o esfuerzo de fluencia.
Es el esfuerzo en que empieza la
deformación plástica.
σy
300
200
σu Resistencia. Si el esfuerzo aplicado
supera σu, el material se rompe.
100
deformació
elàstica
defor mació plàstica
0
0
0.04
0.08
deformació (ε)
0.12
0.16
Ductilidad
La ductilidad es la capacidad de deformación
plástica. Se suele medir en el ensayo a tracción.
Los materiales con alargamiento o reducción de
área elevados son muy dúctiles.
El caso contrario son los materiales frágiles.
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Los materiales con σy y σu elevados son
resistentes.
En los metales, típicamente, la máxima
deformación elástica es de 0,002, mientras
que la máxima deformación plástica puede
alcanzar a 0,4. Además el módulo de
Young suele ser muy grande.
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Propiedades mecánicas
Dureza
La dureza se puede definir como “la resistencia del material a ser rayado”.
El método más antiguo para determinar la dureza consiste en intentar rayar el material con puntas de
distinta dureza.
Escala de Mohs
1-talco,
2-yeso,
3-calcita,
4-fluorita,
5-apatito,
6-ortosa,
7-cuarzo,
8-topacio,
9-corindón,
10-diamante.
Actualmente existen métodos mucho más finos que otorgan un número a la
dureza del material. El valor de este número depende del método empleado,
pero los distintos métodos se basan en el mismo procedimiento de
indentación:
F
Cuanto más grande es la huella, menor es la dureza. La dureza se define como
la oposición que presenta el material a la deformación plástica bajo un
esfuerzo a compresión con una punta determinada o normalizada.
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Propiedades mecánicas
Los métodos concretos (forma y dimensiones de la punta, carga aplicada...) definen las
diversas escalas de dureza:
Ensayo
Punta
Brinell
Esfera de 10 mm
de acero o de
carburo de
tungsteno
Pirámide de
diamante
Vickers
Knoop
Pirámide de
diamante
Forma de la punta
Vista lateral
Vista
superior
D
P
d
d
1 36º
d1
d1
l/b = 7,11
b /t= 4 ,0 0
120º
diamante
▪ Esferas de
acero de
1 1 1 1
, , ,
16 8 4 3
pulgadas de
diámetro
HB =
2P
2
2
πD D − D − d 

P
HV =
P
HK =

1,854P
2
1
14,2 P
d
b
t
l
Rockwell ▪ Cono de
Carga
Fórmula para
determinar la
dureza
l2
60 kg 

100 kgRockwell
150 kg
15 kg
 Rockwell
30 kg
superf icial
45 kg
Para las fórmulas de la tabla, la carga, P, está en kg y D, d, d1 y l en mm
(W. D. Ca l lister, Fundamentals of Ma terials Science a nd Engineering, 5a ed., John Wiley a nd Sons, 2001, EUA).
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Relación dureza-resistencia
Propiedades mecánicas
Aunque la dureza es una propiedad de la
superficie del material con interés per sí misma,
la determinación de la dureza puede tener un
valor añadido, ya que los materiales más
resistentes también suelen ser más duros.
Aceros
1.500
La dureza se emplea como un método
aproximado rápido, barato y simple de cuantificar
la resistencia.
En los aceros σ u es prácticamente proporcional a
HB.
Esta relación sólo es válida para materiales que
presenten deformación plástica. NO sirve ni para
las cerámicas ni para los vidrios. Tampoco sirve
para los materiales que tienen un tratamiento
superficial.
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Resistència, σu (MPa)
aceros: (MPa)σ u 3,5 HB~
1.000
Latones
500
Fundición
esferoïdal
0
0
100
200
300
400
500
HB (dureza Brinell)
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Intensidad del enlace y propiedades mecánicas
Energia del enlace y temperatura de fusión
Tipus d’enllaç
Substáncia
Energia d’enllaç
(kJ/mol)
Temperatura de fusió
(ºC)
Iónic
NaCl
MgO
640
100
801
2.800
Covalent
Si
C
450
713
1.410
>3.550
Metál·lic
Hg
Al
Fe
W
68
324
406
849
-39
660
1.538
3.410
El conocimiento de la temperatura de fusión, Tf, es muy importante ya que nos dice si el
enlace es más o menos fuerte. Esta relación hace que muchas propiedades varien de
manera monótona con la Tf.
Tf
+
-
Rigidez +
Dureza
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+
Dilatación +
térmica
-
-
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Relación dureza-resistencia
Intensidad del enlace y propiedades mecánicas
La rigidez es una propiedad directamente relacionada con el enlace. Cuanto
más intenso es el enlace, más fuerte es la unión entre átomos, y por lo tanto
más oposición presenta el material a ser deformado y es más rígido.
Por esta razón, los materiales que tienen puntos de fusión elevados son
materiales rígidos.
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Relación dureza-resistencia
Intensidad del enlace y propiedades mecánicas
Nos podemos preguntar
“y por qué el material sólo se deforma ∆L?”
A nivel atómico la respuesta es clara:
“A causa de les atracciones entre los átomos”.
L0
L0+ ∆L
Si ahora nos preguntamos: “Y por qué la fuerza F no es capaz de
romper el material?”.
Respuesta: porqué no supera la atracción entre los átomos.
F=0
F=0
Según esta aproximación estamos diciendo que el módulo de Young
y la resistencia serian menores si les atracciones atómicas fueran
menores.
O lo que es lo mismo, que las propiedades mecánicas dependen
sobretodo del enlace químico.
Por ejemplo: Tf (Al) 600ºC
Tf (Fe) 1500ºC
En conjunto, todos los aceros serán más rígidos,
duros y resistentes que las aleaciones en base Al.
Por ejemplo: T
f (polímeros) < 300ºC
Tf(cerámicas)
> 1500ºC
f
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Los polímeros son menos duros, rígidos i
tienen mayor fluencia que las cerámicas.
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Intensidad del enlace y propiedades mecánicas
Propiedades que dependen de la composición química:
a) Temperatura de fusión, T f
b) Módulo de Young, E
c) Densidad
d) Dilatación térmica
Propiedades que dependen de la estructura:
a) Limite elástico
b) Resistencia
c) Dureza
d) Ductilidad
e) Termofluencia
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La estructura de los materiales
En función del empaquetamiento de los átomos, los sólidos
pueden ser:
a) Cristalinos: los átomos están ordenados de acuerdo con
diversas estructuras atómicas.
b) Amorfos: los átomos están desordenados. Una fase
amorfa también se llama fase vítrea y un material
amorfo se denomina vidrio.
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La estructura de los materiales
Los átomos se pueden ordenar de muchas formas distintas, pero que se
agrupan en 7 sistemas cristalinos:
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Empaquetamiento atómico
Los metales se ordenan principalmente en 3 tipos de estructuras cristalinas de alta
simetría:
CC: cúbico centrado
(Cr, Fe-α, Mb, Ta, W)
CCC: cúbico centrado a las caras
(Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag, Fe-γ)
HC: hexagonal compacto
(Cd, Co, Ti-α, Zn)
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Estructura y deformación plástica
Imaginemos un monocristal sometido a un ensayo de tracción:
σ>σy
σ=0
σ
σ>σy
∆L=a
Plano de
deslizamiento
a
Monocristal de Zn
σ
(a)
(b)
Plano de deslizamiento
La primera figura (a), según la cual los enlaces se rompen σ > σy, es falsa.
La deformación plástica no corresponde a la rotura del material.
La figura (b) corresponde a la imagen correcta de la deformación plástica.
El material no se rompe sino que “fluye”.
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En materiales policristalinos, estos mecanismos se pueden observar a nivel de los granos individuales (→ microscópio óptico).
Estructura y deformación plástica
En materiales policristalinos, estos mecanismos se pueden observar a nivel
de los granos individuales (→ microscópio óptico).
Las línias corresponden a planos de
deslizamiento en cobre policristalino.
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Cambio de la estructura de un cobre
policristalino asociado a la deformación
plástica en frio.
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En materiales policristalinos, estos mecanismos se pueden observar a nivel de los granos individuales (→ microscópio óptico).
Estructura y deformación plástica
La ductilidad de los metales proviene principalmente de la adireccionalidad
del enlace:
∆a
A
B
Plano de deslizamiento
Para cualquier desplazamiento Δa, los átomos del plano A atraen los átomos del
plano B. Mientras el metal se deforma no aparecen grietas.
Es comprueba que:
CCC
CC
HC
Més planos
Ductilidad
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Ejemplos:
Al, Cu, Fe-γ
Fe-α
Ti, Mg
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En materiales policristalinos, estos mecanismos se pueden observar a nivel de los granos individuales (→ microscópio óptico).
Estructura y deformación plástica
Ausencia de deformación plástica en las cerámicas. Comportamiento frágil
A
B
Rotura del cristal
Repulsión
electrostàtá
ica
a) Cerámicas iónicas
b) Cerámicas covalentes
A
cuando los átomos del plano A se
desplazan hacia la derecha, los enlaces
no pueden mantener las direcciones
determinadas que fija el tipo de enlace
y se rompen.
B
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Mecanismos de endurecimiento en los metales
Una vez visto cual es el mecanismo microscópico de la deformación plástica, nos
podemos plantear si es posible o no variar la resistencia a esta deformación (variar σy).
La respuesta es directa:
“Sí. Qualquier modificación de la estructura que dificulte el deslizamiento
incrementará σy.”
Adicionalmente σu también aumentará y el metal será más duro.
Hay cuatro mecanismos de endurecimiento:
a) Per solución sólida.
b) Per precipitados duros.
c) Per disminución del tamaño de grano.
d) Per trebajo en frio.
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Mecanismos de endurecimiento en los metales
A. Endurecimiento por solución sólida
Los átomos de soluto hacen que los planos de deslizamiento no sean tan planos →
deslizamiento más difícil.
Metal puro
Plano de
Solución sólida
deslizamiento
El soluto se endurecerá más cuando el radio sea más diferente.
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Mecanismos de endurecimiento en los metales
180
Be
º ∆r (%)
Material Radio(A)
Cu
1,278
Zn
1,332
4,2
Ni
1,243
-2,7
Al
1,432
12,1
Sn
1,509
18,1
Si
1,176
-8,0
Be
1,143 -10,6
210
Si
140
Sn
Al
Ni
Zn
70
00
10
20
σy MPa
160
30
140
120
100
80
60
0
20
30
40
50
10
20
30
40
50
60
50
40
30
20
0
Porcentaje soluto, x %
10
Composición (% peso Ni)
Ductilitat (% elon .)
Límit elàstic, σy Mpa
280
Composición (% pesoNi)
Ejemplo, aleaciones en base de Cu
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Mecanismos de endurecimiento en los metales
B. Endurecimiento por precipitados duros
Precipitado duro
El plano de desplazamiento indicado quedará inutilizado por la presencia del
precipitado duro. Este efecto no se conseguiría si el precipitado fuero menos duro que
el metal que es queremos endurecer.
En general, endurece más muchos precipitados pequeños que pocos y grandes.
Ejemplos:
• Los duraluminios
• Los aceros al C, se debe a los precipitados de cementita (Fe3C).
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Mecanismos de endurecimiento en los metales
C. Endurecimiento por disminución del tamaño de grano
En un material policristalino, cada frontera de grano actúa como un obstáculo al deslizamiento, ya
que el plano de deslizamiento cambia de dirección:
T amaño de grano, d (mm)
σy (MPa)
Pla de lliscament
Frontera de grano
200
10-1
10-2
150
100
50
Grano A
5·10-3
0
Aleación 70Cu-30Zn
4
-1/2
8
-1/2
12
16
d (mm)
Los granos tienen diferentes orientaciones cristalográficas. Por esta razón el plano de
deslizamiento ha de cambiar de dirección al pasar por la frontera de grano, y se dificulta el
deslizamiento. Este efecto es más importante cuanto mayor es el cambio de dirección (ángulo de
la frontera de grano). Este fenómeno también se da en las maclas.
Cuanto más pequeños son los granos, mayor es el endurecimiento. Muchos materiales siguen la
relación de Hall-Petch:
donde σ0 y ky son constantes del material y d es el diámetro medio de los granos.
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Mecanismos de endurecimiento en los metales
D. Endurecimiento por deformación en frio
Cuando se deforma plásticamente un metal a T suficientemente baja, inevitablemente
los átomos se desordenan parcialmente y aparecen nuevas dislocaciones que
desdibujan los planos de deslizamiento. Debido a la deformación en frio, el material se
endurece, aumenta la resistencia y disminuye la ductilidad, el material ha ganado
“acritud”.
Ejemplo: hilo de cobre.
Hilo de máquina
D = 10 mm
σy=220 Mpa
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Hilo de cobre
D= 0,2 mm
σy =345 Mpa
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Mecanismos de endurecimiento en los metales
D. Endurecimiento por deformación en frio
El trabajo en frio incrementa la resistencia. Este incremento se suele representar en
función del porcentaje de trabajo en frio (% CW):
Ad: sección de la pieza deformada
Acero 1040
Latón
300
Cobre
20
40
%CW
60
σu MPa
σ y MPa
500
100
0
Acero 1040
800
700
Latón
600
Cobre
400
2000
20
40
%CW
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60
Ductilitat (% elon.)
Las gráficas indican que a medida que el metal se hace más resistente se vuelve a la
vez más frágil. Llega un momento en que la ductilidad es nula y ya no es posible
continuar deformando sin que aparezcan grietas.
60
40
Laton
20
00
20
40
60
%CW
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34
Restauración de las propiedades mecánicas de los metales
La recocción
La recocción consiste en calentar el material a la temperatura y tiempo adecuado para
que los defectos creados durante el trabajo en frio desaparezcan. Microscópicamente,
se puede entender del siguiente modo:
T-
agitación
térmica
movimiento de los átomos a
posiciones más estables
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est. cristalina
más perfecta
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35
Restauración de las propiedades mecánicas de los metales
En la recocción podemos considerar tres etapas:
•
Recuperación. En esta etapa se eliminan las tensiones residuales.
El movimiento de dislocaciones forma una estructura subgranular. La
densidad de dislocaciones no cambia. Por lo tanto, se mantienen las
propiedades mecánicas pero mejora la conductividad eléctrica y puede
que mejore la resistencia a la corrosión.
•
Recristalización. Se forman nuevos granos cristalinos libre de
defectos. Los nuevos granos nuclean en las fronteras de la estructura
subgranular. Se recuperan las propiedades mecánicas que tenía el
material antes de ser deformado.
•
Crecimiento de grano. El tamaño medio de los granos aumenta y
se empobrecen las propiedades mecánicas. Se debe evitar esta etapa.
La recocción contra acritud termina en la segunda etapa y tiene como
objetivo restaurar las propiedades mecánicas que tenía el material
antes del trabajo en frio
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36
Restauración de las propiedades mecánicas de los metales
Recocción de un latón a 580ºC a diferentes tiempos
s
0s
3s
Ducti l i t at
s u( MP a)
%E L
u
Ductilitadad
4s
8s
15 min
10 min (a 700 ºC)
mi d a de gr a ( m m)
recuperación
recristalitzación
Crecimiento de grano
Nuevos
granos
Temperatura de recocción (ºC)
W.D. Callister, Fundamentals of materials Science and Engineering, 5ed, John Wiley and Sons, 2001, EUA)
A temperaturas elevadas, el tiempo de recocción debe ser más corto para obtener el mismo
resultado. tiempo ≈ 1 hora para Trecocción ~0,3Tf a 0,4Tf (K)
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37
Solidificación
La solidificación es posiblemente el cambio de fase más importante en los materiales.
La mayoría de los metales han pasado por el estado fundido antes de convertirse en una
pieza.
Todos los materiales vítreos y amorfos han pasado por un estado fundido.
Los polímeros también pasan por un estado fundido en su conformación.
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38
Evolución térmica durante la fusión
Cuando calentamos una material sólido de forma constante podemos
observar la siguiente evolución:
Tiempo
No podemos superar la temperatura de fusión (Tf) hasta que todo el sólido se haya
fundido.
No puede existir el material en estado sólido para T superiores a la Tf.
Para pasar del estado sólido al líquido debemos subministrar energía, por lo tanto se
trata de un proceso endotérmico.
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39
Evolución térmica durant la solidificación
Subenfriamiento:
Tiempo
Para que el material solidifique es necesario que el líquido esté por debajo de la Tf.
Es necesario un subenfriamiento.
Una vez empieza la solidificación, el calor desprendido de la cristalización calienta la masa
hasta la temperatura de fusión Tf. De echo, si extragéramos el calor suficientemente rápido, la
solidificación podría continuar a T < Tf.
En la transformación del estado líquido al estado sólido se desprende energía; es un proceso
exotérmico.
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40
Análisis microscópica del la nucleación y el
crecimiento.
T > Tf
estado líquido
a) átomos desordenados
b) energía cinética Ec elevada
T < Tf
los átomos tienen menor Ec, y es posible la
formación de clústers ordenados dentro del líquido, pero no
significa que empiece la solidificación.
2r
Se pueden dar 2 casos:
• r<rc
las agrupaciones se redisuelven (embriones)
• r>rc
no se redisuelven, sinó que pueden crecer por
acumulación progresiva de átomos del líquido
(núcleo)
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Análisis microscópica del la nucleación y el
crecimiento.
2r
Cuanto menor es la temperatura, menos
energía tienen los átomos del líquido y
disuelven con más dificultad los embriones.
Cuando la temperatura desciende el rc es menor ( T↓ rc↓) y es más fácil la
formación de núcleos. Por eso es necesario el subenfriamiento.
El tiempo transcurrido durante el subenfriamiento es el tiempo de incubación.
Así pues, podemos distinguir dos etapas en el proceso de solificación:
a) Nucleación = formación de núcleos estables
b) Crecimiento
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Nucleación homogénea y heterogénea
Nucleación homogénea: es la que hemos descrito. Los núcleos se forman en el interior del
líquido sin la participación de ninguna superficie sólida, radios críticos grandes y ∆T grandes.
Material
Fe
Ni
Cu
T(ºC)
f
1.538
1.453
1.085
∆T ( nucleación
homogénea)
420
480
236
Nucleación heterogénea: el radio crítico rc y ∆T son menores si los átomos se pueden agrupar sobre
una superficie sólida preexistente (p.ej. las paredes de la lingotera y las impurezas).
Podemos ver que, cuando la nucleación es homogénea, el valor de ∆T puede ser muy grande. Por otra
lado, si la nucleación es heterogénea entonces la diferencia de temperatura, ∆T ≈ 1 ºC. Esto es lo que
pasa normalmente en los metales, por la presencia de impurezas y superficies (el contacto con las
paredes de la lingotera).
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Proceso de solidificación en un molde
Núcleosf (T<T)
Líquido
En contacto con las paredes del molde, el líquido se
subenfría rápidamente y nuclean pequeños cristales con
orientaciones aleatorias →granos equiaxiales (chilled).
Granos equiaxiales (chilled)
Líquido
Líquido
A medida que se va disipando el calor hacia el molde,
algunos granos crecen y otros no. De este modo los granos
crecen granos columnares siguiendo una orientación
perpendicular a la pared de la lingotera, ya que así se
disipa el calor con más efectividad. da.
Finalmente, si se dan las condiciones adecuadas, puede ser
que en el líquido del centro empiece la nucleación
homogénea y se formen nuevos granos equiaxiales.
Granos columnares
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Proceso de solidificación en un molde
Esta evolución explica la estructura fina de los
granos de una pieza colada.
La cantidad de cada tipo de granos depende de
las condiciones de enfriamiento.
Granos equiaxiales
Normalmente interesa evitar la formación de granos
columnares y por eso se favorece la formación de
granos equiaxiales en el seno del líquido. Esto se
puede conseguir añadiendo agentes nucleantes
(refinadores de grano).
Li ngote de plomo
Hi l o de cobre
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Proceso de solidificación en un molde
Defectos en los materiales colados
El proceso de solidificación suelen comportar la
formación de defectos típicos en las microestructuras:
• Segregación: variación de la concentración de soluto
(peor resistencia a la corrosión y temperatura de
fusión más baja).
X sol ut
λ
• Porosidad y cavidades internas.
Posició
Porosidad en un cordón de soldadura
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Solidificación sin nucleación
Si enfriamos el líquido muy deprisa, los átomos perderán su energía térmica
antes de poderse ordenar según su estructura cristalina.
Obtendremos un sólido con la estructura desordenada de un líquido
congelado: es un material amorfo (= vidrio).
La velocidad de enfriamiento para obtener un vidrio es muy variable según el
tipo de material:
Metales: estructura cristalina simple → enfriamiento muy rápido 106 ºC/s
→ vidrios metálicos.
Cerámicas y polímeros: estructura cristalina compleja → hasta en
enfriamientos muy lentos se pueden obtener materiales amorfos
(vidrios de SiO2, polímeros amorfos...).
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47
Los vidrios metálicos
Los vidrios metálicos son una nueva clase de materiales descubierta en 1960, que
desde el primer momento atrajeron una considerable atención científica.
La investigación realizada en estos 50 años ha permitido descubrir más de mil
composiciones de aleaciones amorfas metálicas, las cuales algunos cientos presentan
propiedades interesantes para diversas aplicaciones tecnológicas y se pueden producir
en dimensiones que permiten su utilización industrial.
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¿Qué es realmente un vidrio?
Cuando enfriamos un líquido por debajo de su punto de fusión su viscosidad aumenta
progresivamente, si conseguimos evitar la cristalización llegaremos a una temperatura
en que la viscosidad alcanza valores superiores a los 1012 Pa·s. En este punto la
respuesta del material a una fuerza exterior es tan lenta que puede ser considerado un
sólido, sin embargo su estructura interna sigue siendo la de un líquido.
Llamamos este material un vidrio, y el punto donde consideramos que el
comportamiento pasa de tipo líquido a tipo sólido es la temperatura de transición
vítrea. Esta transición se define arbitrariamente como la temperatura por debajo de la
cual la viscosidad ŋ> 1012 Pa·s, o equivalentemente, cuando el tiempo característico de
respuesta del material para adaptarse a una fuerza externa (el tiempo de relajación τ)
es inferior a 100 segundos (τ> 100s).
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La transición vítrea
La transición vítrea se observa en muchos tipos de sustancias:
materiales covalentes: SiO2 B2O3 PbO2
materiales poliméricos y materiales orgánicos
En el caso de los metales, la relativa simplicidad de su estructura cristalina, facilita la
nucleación cristalina durante el proceso de enfriamiento, imposibilitando que el líquido
llegue al punto de vitrificación.
No se ha obtenido nunca un metal puro en estado vítreo, sin embargo la aplicación de
métodos de enfriamiento rápido permite la obtención de cristales metálicos a partir de
aleaciones con determinadas composiciones. Para estas composiciones, el proceso de
cristalización es suficientemente complejo y la viscosidad del metal líquido aumenta
suficientemente rápido durante el enfriamiento como para obtener un metal
vitrificado, es decir, una aleación sólida con la estructura interna de un líquido.
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La transición vítrea
Desde el punto de vista del procesado, la zona donde la viscosidad está entre los 104 y
108 Pa·s permite la producción de formas y geometrías diversas mediante la
deformación del material viscoso. La posibilidad de conseguir deformaciones bajo la
acción de fuerzas ligeras, como en procesos de impresión, se consigue en el entorno
del 104-105 Pa·s.
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Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos
La fragilidad de un líquido no corresponde al concepto de material frágil de los
materiales cristalinos.
La fragilidad de un vidrio metálico es una medida de la velocidad de cambio de la
viscosidad en torno a la transición vítrea y por tanto de la rigidez de la estructura de la
fase líquida, y no tiene nada que ver con que el material, un vez sólido, tenga una
fractura de tipo frágil.
La nomenclatura procede de la industria del vidrio, los vidrios fuertes pueden ser
soplados con más facilidad que los cristales frágiles, ya que su viscosidad disminuye
más lentamente al aumentar la temperatura y presentan una zona de procesado más
extensa.
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Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos
La zona elástica
Una propiedad general de los vidrios metálicos, que ha despertado mucho interés de
cara a posibles aplicaciones, es la extensión de la zona elástica en comparación a
aleaciones cristalinas.
El módulo de Young E es ligeramente inferior a aleaciones cristalinas con
composiciones similares pero el límite de la zona elástica se produce a esfuerzos y
deformaciones significativamente más elevadas.
El límite elástico σ y de los vidrios metálicos suele ser un 30% superior y
la deformación en límite elástico ε y pasa de valores típicos del 0.65% a valores del 2%.
La justificación física de la extensión de la zona elástica en los cristales metálicos es la
falta de defectos cristalinos. Debido a esto, el límite elástico de los cristales metálicos
se produce a cargas aplicadas muy superiores y es lo más parecido al límite teórico, es
decir el límite determinado por la fuerza de los enlaces metálicos
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Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos
Los vidrios metálicos con Hierro y cobalto son los que tienen los límites elásticos más
altos, entre 5500 i 4000 Mpa.
Las propiedades relacionadas con la extensión de la zona elástica es que los BMG
tienen una elevada resiliencia, propiedad que caracteriza la capacidad de almacenar y
devolver energía elástica.
La alta resiliencia y el bajo coeficiente de pérdidas son probablemente las dos
propiedades mecánicas más excepcionales de los cristales metálicos en comparación al
resto de materiales metálicos, presentando valores con diferencias que pueden llegar a
órdenes de magnitud respecto a aleaciones cristalinos con composiciones similares.
Esta propiedad es importante en aplicaciones tales como muelles u otros elementos
mecánicos que deban recuperarse de las cargas aplicadas sin deformaciones
permanentes. E útil para mecanismos que tengan que actuar en un régimen de
vibraciones rápidas o como medios transmisores de ondas elásticas.
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Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos
Ductilidad en tracción
La práticamente nula habilidad de los vidrios metálicos para deformarse en
condiciones de tracción, es uno de los principales inconvenientes de estos materiales
en aplicaciones mecánicas.
Ductilidad en compresión
La ductilidad a compresión vienen determinada por la capacidad de fluir y activar
bandas de cizalla.
Curva esuerzo-deformación de un
ensayo a compresión de una
aleación amorfa de Cu49Hf42Al9.
Imagen de SEM de la superfície de
fractura dónde se ven las bandas de
cizalla.
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El grafeno, el material del futuro?
Geim y Novoselov (Premios Nobel de Física 2010
Geim y Novoselov, dos físico rusos ganaron el Premio Nobel de Física del año
2010, por demostrar el comportamiento del grafeno, un material del espesor de
un solo átomo de carbono (el material más delgado descubierto) con
implicaciones en áreas tan diversas que van desde la Física cuántica hasta la
electrónica de consumo.
Aunque la Unión Internacional de Cristalografía (IUPAC) lo bautizó formalmente en 1994,
no fue hasta 2004 que se logró separar por primera vez una capa individual de grafeno del
grafito volumétrico. Ocurrió casi simultáneamente en la Universidad de Manchester
(Inglaterra), y en el Instituto de Tecnología Microelectrónica de Chernogolovka (Rusia).
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El grafeno, el material del futuro?
Los átomos de carbono forman dos tipos de sólidos estables con
propiedades físicas muy diferentes; el diamante y el grafito. La
diferencia es causada por la forma en que los átomos se ordenan a
nivel microscópico.
• En el diamante -uno de los materiales más duros que existen- los
átomos de carbono forman una malla tridimensional, entrelazada
y compacta.
• En el grafito, mucho más blando, los átomos se ordenan en
estructuras hexagonales similares a las de un panal de
abejas. Esas celdas están fuertemente enlazadas por los costados,
formando capas bidimensionales (ver figura). Sin embargo, los
enlaces entre capas adyacentes son muy débiles, de manera que
cada capa se desliza fácilmente respecto a las demás.
Cada una de esas capas de carbono, esté o no integrada al grafito, es
una capa de grafeno.
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Grafito, formado por
capas de grafeno que
interaccionan
déb ilmente entre si.
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El grafeno
Entre las propiedades más destacadas de
este material se incluyen:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Alta conductividad térmica y eléctrica.
Alta elasticidad y dureza.
Resistencia (200 veces mayor que la del acero).
El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para
formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este
material de gran potencial de desarrollo.
Soporta la radiación ionizante.
Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.
Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.
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http://www.youtube.com/watch?v=-YbS-YyvCl4&feature=player_embedded
Gracias por vuestra atención.
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Referencias
Roura, P., Farjas, J. Güell, JM. (2006). Apunts de fonaments de ciències dels
materials.
Universitat de Girona. 2006. 1 ed. català.
Edició electrònica. ISBN: 84-8458-227-2
Dipòsit legal: GI.826-2006
W.D.Callister, Materials Science and Engineering. An Introduction. Wiley.
W.F.Smith, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. McGraw
Hill.
J.F.Shackelford, Ciencia de Materiales para Ingenieros, Prentice Hall.
http://www.youtube.com/watch?v=-YbS-YyvCl4&feature=player_embedded
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