Tema 8 - IES Gabriela Mistral

Bloque I: Materiales
Tema 8:
Estructura atómica y cristalina de los
materiales. Aleaciones y diagramas de fases.
Guion
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Estructura atómica.
Modelos atómicos.
Enlace químico. Covalente e iónico.
Estructura cristalina. Sistemas cristalinos.
Concepto de aleaciones.
Componentes de una aleación.
Composición de una aleación.
Fases de las aleaciones.
Diagrama de equilibrio de fases.
Diagramas binarios de elementos totalmente solubles en estado líquido y sólido.
Determinación de la cantidad de fases. Regla de la palanca.
Diagramas de fases de aleaciones totalmente solubles en estado líquido y totalmente
insolubles en estado sólido.
Diagramas de fases de aleaciones totalmente solubles en estado líquido y parcialmente
solubles en estado sólido.
Análisis del diagrama Fe-C
1. Estructura atómica
El átomo
Electrones
Protones + neutrones =
nucleones
Estructura atómica
El conocimiento de la estructura atómica
nos permite interpretar las semejanzas y
diferencias de los elementos.
La química es una ciencia experimental en
permanente expansión.
Electrones suponen prácticamente todo
el volumen del átomo, pero sólo una
pequeña parte de su masa.
2. Modelos atómicos
Teoría atómica
de Dalton
1803-1808
Los átomos
según Dalton
Modelo atómico de
Thomson
1897
Descubrió el
electrón.
Teoría del “pudin
de ciruelas”
Modelo atómico de
Rutherford
1911
Descubrimiento de
electrones girando
alrededor del
núcleo.
Modelo atómico de
Bohr
1913
Electrones girando
solo en
determinados
niveles de energía
3. Enlace químico. Covalente
e iónico
• En la naturaleza, la mayoría de los átomos están agrupados por una
razón meramente energética: todos los sistemas tienden a la mínima
energía y, a menor energía, mayor estabilidad.
A+B
AB
• En la formación de un enlace químico siempre se produce un cambio en
la configuración electrónica respecto a la de los átomos aislados, lo que
significa que los átomos enlazados adquieren una configuración
electrónica más estable.
• En 1916 Kossel y Lewis establecen de
forma independiente la:
TEORÍA ELECTRÓNICA DE VALENCIA
Enlace covalente
Lewis: regla del octeto.
Compartición de pares de electrones
por dos o más átomos no metálicos.
Enlace covalente: simple, doble o triple.
Estructura o diagrama de Lewis
Enlace iónico
Kossel: regla del octeto.
Metales (electropositivos) + No metales
(electronegativos)
Atracción electrostática entre iones =
RED CRISTALINA
Valencia iónica o electrovalencia.
4. Estructura cristalina.
Sistemas cristalinos.
Estructura cristalina
Los metales y las aleaciones metálicas
forman CRISTALES
Los cristales son redes en las que se
distribuyen los átomos según una
secuencia regular que se repite en tres
dimensiones.
Índice o número de coordinación.
Tipos de redes cristalinas
Tipos de redes cristalinas
Aclaraciones redes cristalinas
De entre ellos, hemos saber que la mayor
parte de los metales, aproximadamente el
90% cristalizan en tres estructuras
cristalinas densamente empaquetadas, que
son:
Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
Cúbica centrada en las caras (FCC)
Hexagonal compacto (HCP)
Video sobre redes cristalinas
http://www.youtube.com/watch?v=Rmi1c7zr6Q
5. Concepto de aleaciones
Aleación
Mezcla homogénea de dos o más metales, o
de uno o más metales con algún o algunos
elementos no metálicos.
METALES: en estado elemental (estado de
oxidación nulo)
NO METALES: P, C, Si, S, As
Generalmente llevados a altas temperaturas
para que se fundan.
6. Componentes de una aleación
Componentes de una aleación
Los distintos elementos que forman parte
de una aleación son los componentes de
la aleación.
7. Composición de una aleación
Composición de una aleación
La composición de una aleación es indicar
la proporción en la que se encuentran los
componentes de una aleación.
Base de la aleación: componente o
componentes que están en mayor
proporción.
Traza de la aleación: componente o
componentes que están en menor
proporción.
8. Fases de las aleaciones
Fase
Fase es una porción homogénea de un
sistema caracterizado por una estructura
y una organización atómica constante y,
por tanto, con características físicas y
químicas uniformes.
Al conjunto de las representaciones de
los estados posibles se le denomina
diagrama de fases.
9. Diagramas de equilibrio de fases
Diagramas de fases
Los diagramas de fases son
representaciones de los estados posibles
de un material dependiendo de las
variables de presión, temperatura y
concentración.
Ojo: En los metales, la fusión se realiza a presión
constante (1 atm) por lo que las únicas variables
que intervienen en el diagrama de fases son
temperatura y concentración.
Regla de las fases de Gibbs
Sistema en equilibrio. Características:
1. Número de fases F
2. Grado de libertad L
3. Número de componentes C
Diagrama agua pura vs metales
10. Determinación de la
cantidad de fases. Regla de la
palanca
Cantidad de fases
Se aplica la Regla de Gibbs F + L = C + N
En diagramas de fases a presión variable
(agua) N = 2
En diagramas de fases a presión constante
(metales) N = 1
Ejercicio de aplicación: Calcule el número de grados de libertad en
tres puntos “críticos” del diagrama de fases del agua pura y en el
diagrama de fases de dos metales totalmente miscibles.
Regla de la palanca
Método empleado para conocer el porcentaje de fase sólida y
líquida presentes en una aleación a una cierta concentración
cuando se encuentra a una temperatura.
El protocolo a seguir consiste en trazar la línea vertical X (por la
concentración que deseamos analizar) y la línea isoterma de la
temperatura indicada, línea horizontal L-O-S, en el diagrama de
equilibrio de la aleación AB. Determinando su intersección el punto
O y la intersección con las líneas de liquidus y solidus los puntos L
y S.
11. Diagramas binarios de
elementos totalmente
solubles en estado líquido y
sólido. Tipo I
Aleaciones Tipo I
En línea liquidus, solidus y en zona bifásica: F=2 C=2 N=1
L= 1
Para determinar las concentraciones de cada elemento en un punto
determinado se aplicará la Ley de la Palanca
12. Aleaciones totalmente
solubles en estado líquido e
insolubles en estado sólido.
Tipo II
Aleaciones tipo II
Zona L + A: 2
fases (cristales
A + líquido)
zona
hipoeutéctica
Zona L+B: 2
fases (cristales
B + líquido)
zona
hipereutéctica
Punto eutéctico: aleación con punto de fusión más bajo. Coexisten
Asólido, Bsólido y la fase líquida L. Grado de libertad=0 lo que significa
que la solidificación se produce a temperatura constante.
13. Aleaciones totalmente
solubles en estado líquido y
parcialmente insolubles en
estado sólido. Tipo III
Aleaciones tipo III
Temperatura
eutéctica
Los metales presentan cierta solubilidad en estado sólido.
Ejemplo: aleación Pb-Sn
14. Análisis del diagrama Fe-C
Aleaciones Hierro-Carbono
Aceros. Gran aplicación en la industria
Variedad α.- cristaliza en BCC hasta 768 ºC en la red cúbica centrada.
Disuelve muy poco carbono, un 0,008% a temperatura ambiente. Es
magnético.
Fe
Variedad β.- cristaliza en FCC. Se encuentra entre 768 ºC y 910 ºC. Es
similar al hierro α pero no
es magnético.
Variedad γ.- cristaliza en BCC. Se encuentra entre 910 ºC y 1.400 ºC.
Disuelve fácilmente el carbono, hasta el 1,76%. Es diamagnético.
Variedad δ.- cristaliza entre 1.400 ºC y 1.539 ºC en la red cúbica
centrada. Puede disolver hasta un 0,1% de carbono. No tiene aplicaciones
siderúrgicas.
Aleaciones Hierro-Carbono
Entre 0,08 % y 1,76%
C
Superior a 1,76%
6,67%
Aceros
Fundiciones
Cementita
Diagrama Fe-C Composición
La introducción del carbono en el Fe modifica las propiedades de este
de forma muy significativa y es necesario conocer que ocurre en los
aceros al aumentar el % de C.
La primera clasificación de los aceros la realizaremos de acuerdo a su
estructura de equilibrio.
• Hipoeutectoides: Menos de 0.8%C (estructura de ferrita y
perlita).
• Eutectoides: 0.8%C (estructura de perlita).
• Hipereutectoides: Mas de 0.8%C y menos de 2.14%C (estructura
de cementita y perlita).
Según aumenta el contenido de carbono se produce una deformación
mayor en las redes cristalinas, en las soluciones sólidas y da lugar a la
aparición de cementita (Fe3C), constituyente muy duro y frágil, en
mayor cantidad.
Diagrama Fe-C Estructura
Estructura cristalina.- no es uniforme, varía
según los constituyentes de la aleación.
Estructura micrográfica.- el elemento
fundamental es el grano, por lo que es necesario
controlar su formación y desarrollo en los
tratamientos térmicos. Cuanto mayor sea el
grano, peores son las propiedades de los aceros,
excepto la capacidad para trabajarlo en
máquinas.
Estructura macrográfica.- depende de las
impurezas que contenga la aleación.
Diagrama Fe-C Constitución
Ferrita: solución sólida de carbono en hierro α. Es el más blando y dúctil (90 HB). Disuelve
muy poco carbono (menos de 0,008%) por lo que se considera hiero α.
Cementita: es el carburo de hierro (Fe3C). Es el más duro y frágil (800HB).
Perlita: es el microconstituyente eutectoide formado por ferrita (86,5%) y cementita (13,5%). Tiene
una estructura laminar si el enfriamiento ha sido lento (sorbítica). Si se vuelve a calentar la cementita
forma glóbulos en la ferrita (globular).
Austenita: es una solución sólida por inserción de carbono en hierro γ (hasta 1,76% de C).
No se encuentra a temperatura ambiente. Es blando, deformable, tenaz y muy resistente al
desgaste. Es el constituyente más denso y no es magnética.
Ledeburita: es una aleación eutéctica de ferrita y cementita. Es propio de las fundiciones.
Martensita: es una solución sobresaturada de carbono en hierro α. Se obtiene por enfriamiento
rápido de la austenita y se presenta en forma de agujas. Después de la cementita, es el más duro y frágil.
Tiene propiedades magnéticas.
Bainita: también se produce por una transformación isotérmica de la austenita. Se produce en un
temple defectuoso y su fin es la transformación total de la austenita en bainita. Sus propiedades son
intermedias entre la perlita y la martensita.
Diagrama Fe-C Constitución
Diagrama Fe-C
La línea ABCD es la línea de liquidus y la línea AHJECF es la línea de
solidus. Los puntos más destacables de diagrama son:
Punto A: temperatura de solidificación del hierro puro (1.539 ºC).
Punto C: aleación eutéctica (4,3% de C), compuesta por austenita y
cementita formando ledeburita.
Punto E: máxima solubilidad de C en Fe α (1,76% de C).
Punto D: límite del diagrama (6,67% de C), corresponde a la cementita
pura (100% cementita).
Punto S: ó eutectoide: la austenita se transforma en perlita (0,89% de C).