HOJA 1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA >>FACULTAD DE INGENIERIA : ASIGNATURA : MATERIALES DE INGENIERIA (I) PROF. TITULAR A CARGO:: ING. JORGE C. FERNANDEZ PROF. ADJUNTO A CARGO: ING. MARCELO PELAYO UNIDAD N° 3 : TRANFORMACION DE FASE SOLIDA EN METALES, ALOTROPIA , CAMBIO DE VOLUMEN, EFECTO DE LA ADICION DE OTROS ELEMENTOS EN LA ESTRUCTURA DE LOS METALES PUROS. SOLUCIONES SOLIDAS, NUEVAS FASES ,FASES INTERMEDIAS. PROBLEMAS DE APLICACIÓN. (jcf) FASE : Conglomerado homogeneo de materia. En los metales solidos los granos compuestos de atomos de las mismas celdas unitarias son la misma fase. Los atomos de aleacion pueden estar presentes en la estructura de una fase. Si consideramos una sustancia o elemento tal como por ejemplo el Agua H2O , la misma puede presentarse en 3 fases diferentes. Llamese gaseosa, liquida o solida. Las mismas se diferencian por estar en distintos estados de presion y temperatura, y al mismo tiempo, en el caso del estado solido se forman diferentes estructuras cristalinas, que reciben el nombre de hielo I , II , III etc. , y estas son diferentes fases solidas de la misma composicion quimica. De manera similar se manifiesta el fenomeno en los metales, o sea diferenntes estructuras cristalinas en el mismo metal. Ej : El titanio (Ti) a la temperatura ambiente la estructura de la red cristalina conforma bajo la forma HCP (hexagonal compacta), mientras que a los 880 °C se corresponde con una celda tipo BCC ( Cubico de cuerpo centrado) Hierro : Fe : El hierro a la temperatura ambiente es BCC ( Cubico de cuerpo centrado), Mientras que a los 910 °C se reordena a la forma FCC( Cubico de caras centradas) Las identificaciones de los distintos tipos de reordenamiento no se los denomina como en el caso del agua Hielo I, Hielo II etc. , sino que las distintas fases en que se presentan tienen una denominacion especifica tal como : Para el hierro : BCC Hierro (α ) Alfa. FCC : Hierro ( γ ) Gamma. Para el Titanio : BCC Titanio (α ) Alfa , HCP : Titanio (β) Beta. En general los metales se agrupan bajo 3 formas fundamentales de celdas atomicas , BCC ,FCC, HCP , cuando un metal tiene mas de una estructura cristalina se dice que exhibe alotropia y que tiene diversas formas alotropicas. REFERENCIAS: Au : (Plata) FCC , Cu ( Cobre) FCC , Al (Aluminio) FCC , Mg (Magnesio) HCP , Co (Cobalto) HCP , Ti (Titanio) HCP , Fe (hierro) BCC , Mo (Molibdeno) BCC. HOJA 2 HCP FCC DETERMINACION DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA: Para la determinacion de la distancia entre planos de atomos , se parte de la utilizacion De RAYOS (X). El metodo utilizado se basa en la difraccion de los rayos (X). Como los rayos X tienen una longitud aproximadamente igual a la distancia de separacion de los atomos en los solidos, cuando aquellos se dirigen hacia un material cristalino los difractaran los planos de los atomos en el cristal (GRANO), Si un haz de los rayos X choca , a algun angulo arbitrario , contra un conjunto de planos cristalinos , generalmente no habra un haz reflejado, porque los rayos reflejados de los planos del cristal deben viajar a diferentes HOJA 3 : Longitudes y tenderan a estar “fuera de fase” o a cancelarse entre si ; sin embargo , a un angulo especifico conocido como (angulo de BRAGG) (θ) los rayos reflejados estaran en fase porque la distancia viajada sera un numero entero de las longitudes de onda. (ver figura ) Considerando los planos paralelos de la figura (2.17) donde se difracta una onda. Las ondas pueden reflejarse de un atomo situado en el punto H o en H’ y permanecer en fase en K ; sin embargo , los rayos reflejados por los atomos en planos subsuperficiales como el H’’ tambien deben estar en fase en K. Para que esto ocurra , la distancia (MH’’P) debe ser igual una o mas longitudes de honda enteras. Si (d) es el espaciamiento entre planos y (θ) el angulo de incidencia , la distancia (MH’’) sera igual a d sen (θ) y la distancia MH’’P sera igual a 2d sen (θ) o sea nλ = 2 d sen (θ) TRANSFORMACION DE LA FASE SOLIDA EN LOS METALES: Ej : sabemos que el agua puede existir como un gas ; un liquido, o un solido; lo cual Reconocemos como 3 fases diferentes . Definicion: FASE: es un conglomerado homogeneo de materia. Se encuentra que bajo diferentes condiciones de presion y temperatura se forman diferentes estructuras cristalinas en el hielo (diferentes celdas unitarias.) HIELO I ; II ; III ( Diversas fases solidas de la misma composicion quimica) De la misma forma encontramos diferentes estructuras existen en un mismo Metal . Ejemplo: El Hierro , a temperatura ambiente es BCC (Cubica de cuerpo centrado ) pero si lo calentamos al mismo a 910 °C veremos que su estructura cambia a FCC (Cubica de caras centradas), lo llamamos hierro (α) (alfa) y hierro (γ ) ( gamma). Hoja 4: En general los metales se agrupan bajo 3 formas fundamentales de celdas atomicas (BCC) FCC HCP ; cuando un metal tiene mas de una forma de estructura cristalina se dice que exibe alotropia, o que tiene diversar formas alotropicas. EFECTO DE LA ADICION DE OTROS ELEMENTOS EN UNA ESTRUCTURA DE LOS METALES PUROS : Son pocos los elementos que se usan comercialmente en estado puro, salvo algunas execepciones. Ej en forma muy particular el cobre (99.99 %) para conductores electricos Normalizados. Generalmente se hallan combinados con otros elementos que tienen como intension Mejorar algunas carateristicas en particular, mayor resistencia , proteccion contra la Corrosion o simplemente como impureza que seria muy costoso eliminarlo. Cuando se adicionan algun elemento pueden suceder 2 cambios estructurales basicamente, diferentes. 1) Los atomos del nuevo elemento forman una solucion solida con el elemento original pero aun existe una sola fase tal como un (FCC) o un liquido. 2) Los atomos del nuevo elemento forman una segunada fase nueva ; que contiene algunos atomos del elemento original. Toda la microestructura puede transformarse en una nueva fase o pueden estar presentes 2 fases simultaneamente. SOLUCIONES SOLIDAS: Si tomamos un crisol que contiene COBRE y le agregamos un 30 % de Niquel y Mantenemos el estado liquido para luego enfriar lentamente para luego examinar los granos (Cristales). Encontramos que mantiene su estructura FCC y que ( a°) Aproximadamente igual al del (Cu y Ni ) . Esto se denomina solucion solida por sustitucion ; porque los atomos de (Ni ) Han sido sustituido a algunos de los de (Cu) en la celda (FCC). Otra clase de soluciones solidas son las Intersticiales ya que los nuevos Atomos ocupan los intersticios dejados libres en la celda unItaria y logicamente esto ocurre con los atomos de diametro menor. Ej el CARBONO : Forma una solucion solida intersticial con el hierro produciendo Una de las fases constitutivas del acero, el atomo de carbono ocupa la posicion ½-1/2-1/2 . Cuando se forma una solucion solida tanto sea Sustitucional como Intersticial Se sigue utilizando la misma letra griega en este caso (γ ) gamma o alfa (α). NUEVAS FASES: Con la adicion de algunos elementos metalicos sobre la fundicion se puede lograr Una solucion liquida pero cuando se solidifica encontamos 2 fases diferentes . Como ejemplo Cobre + Plomo ( Cu +Pb) 30 % de Plomo , se configura como una solucion liquida que al solidificarse aparecen granos de (Cu) con pequeñas cantidades Plomo , en Solucion solida, y el resto del plomo estaria en forma pura , ambas estructuras son FCC pero la celda del plomo es mucho mas grande , lo cual su radio atomico es >>> mayor . Hoja 5 : Por lo tanto tenemos 2 fases ( α y β ) . Con el cobre el plomo a pesar que la adicion de plomo baja la resistencia del Material la presencia de pequeñas esferas de plomo al ser sometido a esfuerzos tienden a fluir hacia afuera y forman una pelicula que tiene bajo coeficiente de friccion. Cuando se forma una nueva fase con una estructura distinta a cualquiera de los 2 elementos en cuastion se denomina ( fase intermedia): Ej ( Cobre- estaño ) 15 % de Estaño , una porcion formara solucion con el cobre como FCC y el resto formara una nueva fase ( Cu 31- Sn 8) dura y completamente diferente al (Cu-Sn). SOLUCIONES SOLIDAS EXTENSIVAS: REGLA: Para lograr soluciones solidas extensivas o sea superiores a una Solubilizacion del > 10 % ( en atomos). es menester que se cumplan las siguientes Necesidades basicas: LEY de HUME – ROTHERY . 1) La diferencia de los radios atomicos de be ser menor al 15 % (<< 15 %) 2) Los elementos a combinar deben estar dentro de un entorno de la tabla periodica (cercania en la tabla periodica). 3) Para obtener una serie completa de soluciones solidas los metales deben tener la misma estructura cristalina. VER GRAFICOS DE RADIOS ATOMICOS Y TIPOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS. (jcf) FASE: CONGLOMERADO HOMOGENEO DE MATERIA; EN LOS METALES SOLIDOS LOS GRANOS COMPUESTOS POR ATOMOS DE LA MISMA CELDA UNITARIA SON LA MISMA FASE.
