6. Descripció de l estructura dels materials

Tamaño: px

Comenzar la demostración a partir de la página:

Download "6. Descripció de l estructura dels materials"

María Ruiz Soler
hace 7 años
Vistas:

1 6. Descripció de l estructur dels mterils prtts: Nivells estructurls Microestructur Empquetment tòmic Estructures cristl lines l lotropi i polimorfisme Empquetment tòmic i densitt Defectes de l estructur dels mterils Objectius: Introduir els diferents nivells estructurls. Definir el concepte d estructur cristl lin. Definir el gr cristl lí. Diferencir entre monocristl lí i policristl lí. Descriure les tres estructures cristl lines principls dels metlls. oncepte d empquetment tòmic. Descriure els diferents tipus de defectes en l estructur dels mterils. Recordem un dels temes d quest ssigntur: L estructur és l orgnitzció intern dels components que conformen el mteril. Els mterils es comporten (propietts) d un mner determind perquè per dins (estructur) són com són. És dir que l estructur determin les propietts. quest relció present un grn interès, j que podem modificr l estructur de moltes mneres: ) mb l composició químic b) mb trctments tèrmics c) mb deformció plàstic d) en generl, mb qulsevol operció de processment Per tnt, podríem dir que per un composició determind: processment modificció de modificció de o trctment l'estructur les propietts. ctulment som cpços de veure com són els mterils per dins i per tnt és possible descriure n curdment l estructur. grns trets ixò és el que frem en quest tem. En els temes següents ens ocuprem més vit de com es pot obtenir un determind estructur (digrmes de fses, solidificció, difusió) i clourem l secció mb un tem molt importnt en què detllrem lgunes relcions concretes entre l estructur i les propietts. 4

Nivells estructurls L descripció de l estructur d un mteril se sol fer per nivells definits per l grndàri dels detlls que contenen: ) Mcroestructur: s preci simple vist. Exemple: formigó rmt.

(fotogrfi d un formigó) b) Microestructur: s preci mb un microscopi (òptic o electrònic).

2 Nivells estructurls L descripció de l estructur d un mteril se sol fer per nivells definits per l grndàri dels detlls que contenen: ) Mcroestructur: s preci simple vist. Exemple: formigó rmt. L mcroestructur és descrit, en quest cs, per les dimensions de l grv, disposició i quntitt de brres d cer... L mjori dels mterils no tenen mcroestructur. (fotogrfi d un formigó) b) Microestructur: s preci mb un microscopi (òptic o electrònic). Si tllem un tros de brr d cer i el polim, podrem veure que està formt per un men de grns, delimitts per les fronteres del gr. (Microgrfi d un litge u-e) c) Empquetment tòmic: s preci mb microscopi electrònic. Per tnt, dins de cd gr, els àtoms es troben ordents tot el seu volum. Es diu que és un petit cristll. (Microgrfi de HRTEM d un cristll de Si N 4 ) ixí doncs, podem definir el gr com quell prt del mteril on els àtons tenen l mteix ordenció. Microestructur D cord mb l sev microestructur, un mteril pot ser: ) Policristl lí: formt per molts grns (l immens mjori). b) Monocristl lí: formt per un únic gr (pedres precioses). Per l sev bnd, un mteril policristl lí pot ser: ) Monofàsic: un sol fse. Tots els grns tenen l mteix composició químic i el mteix empquetment tòmic. b) Polifàsic: hi h grns de diferent composició químic o empquetment tòmic, és dir, hi h més d un fse. Un fse és definid per l sev composició químic i el seu empquetment tòmic uniformes. Els spectes de l microestructur que tenen un influènci sobre les propietts són, entre ltres: l mid dels grns l quntitt de cd fse 5

fses poden ser: ) ristl lines: els àtoms estn ordents d cord mb diverses estructures cristl lines.

Per tnt, en ciènci dels mterils, cristll és el contrri de vidre.

poden contenir tnt fses cristl lines com morfes. Els vidres corrents (de finestr) són 100 % morfs.

3 si els grns són llrgts... Monofàsic. Llutó α (80 % u, 20 % Zn) Polifàsic cer l crboni (0,2 % ) Empquetment tòmic D cord mb l empquetment, les fses poden ser: ) ristl lines: els àtoms estn ordents d cord mb diverses estructures cristl lines. b) morfes: els àtoms es troben desordents. Un fse morf tmbé s nomen vítri. Un mteril morf s nomen vidre. Per tnt, en ciènci dels mterils, cristll és el contrri de vidre. Exemples: normlment els metlls només contenen fses cristl lines, mentre que les ceràmiques i els polímers poden contenir tnt fses cristl lines com morfes. Els vidres corrents (de finestr) són 100 % morfs. Estructures cristl lines Els àtoms es poden ordenr de moltes mneres diferents segons les nomendes estructures cristl lines. Els metlls s ordenen principlment segons tres estructures cristl lines: : cúbic centrt (r, Fe-α, Mb, T, W) 6

: cúbic centrt les cres (l, u, u, Pb, Ni, Pt, g, Fe-γ) H: hexgonl compcte (d, o, Ti-α, Zn) Estructur Relció entre el rdi tòmic R i el

(HP) 0,74 12 2 12 + + = 6 6 2 les ceràmiques i polímers, les estructures cristl lines són molt més vrides i no les descriurem.

cristl lines. Exemples: Fe α γ δ L 912 1.94 1.59º SiO 2 qurs tridimit cristoblit L 8 867 1.470 1.

4 : cúbic centrt les cres (l, u, u, Pb, Ni, Pt, g, Fe-γ) H: hexgonl compcte (d, o, Ti-α, Zn) Estructur Relció entre el rdi tòmic R i el pràmetre de mll Fctor d empquetment () 4R 0,68 = (F) = 2R 2 0,74 Àtoms per cel l = 2 Nombre de coordinció = H (HP) 0, = les ceràmiques i polímers, les estructures cristl lines són molt més vrides i no les descriurem. l lotropi i polimorfisme Es diu que un substànci present l lotropi 7 o polimorfisme qun pot cristl litzr en diferents estructures cristl lines. Exemples: Fe α γ δ L º SiO 2 qurs tridimit cristoblit L º : grfit i dimnt (metestble) (tenció: el dimnt és inestble). 7 l lotropi f referènci ls cnvis d estructur cristl lin en elements, mentre que polimorfisme s plic tnt elements com compostos. 7

5 Empquetment tòmic i densitt om que coneixem l mss dels àtoms, prtir del seu empquetment podem clculr l densitt teòric dels mterils. m m N ρ = = N = el nombre d àtoms continguts l volum,, i m, mss tòmic. quest considerció ens port un conclusió molt generl: ρ (fse morf ) < ρ (fse cristl lin). Exemple 1: el qurs (SiO 2 cristl lí) té un densitt de 2,65 g/cm, mentre que per l qurs vitri (morf) ρ = 2,2 g/cm. lcul: ) El % d'àtoms que hi h en excés en el qurs respecte l vidre per unitt de volum. b) El % d'àtoms que hi h de menys en el vidre respecte l qurs. N (qurs) (vidre) ρ ρ ρ ρ N q q 2,65 2,2 ) = = = = 0,2 20 % N (vidre) ρ ρ 2,2 N (qurs) (vidre) ρ ρ ρ ρ N q q 2,65 2,2 b) = = = = 0,17 17 % N (qurs) ρ ρ 2,65 q q Exemple 2: clcul l densitt de les dues formes l lotròpiques del ferro: i. Els pràmetres de mll són cc = 0,286 i ccc = 0,51 nm, respectivment (pràmetres determints per difrcció de rigs X). : 4 àtoms per cel l, olum = 4m Fe = 0, gr = 55,85 4um 6, m = 7,11 10 um quest resultt ens diu que els àtoms l estructur estn més ben empquetts que l estructur. L sev vlides és més generl; l mner més eficient d empquetr boles (o àtoms) idèntics és l i tmbé l H. En el cs de l queden més espis buits. Per ixò es diu que: i H són estructures compctes. és estructur no compct. = 0, m = 0, m 7,11 10 gr gr ρ = Fe = = 8, , cm cm 1gr : 2 àtoms per cel l, 2m Fe = 55,85 2um = ,02 10 um olum = 0, m = 0, m = 0, = 2 2m 18,55 10 gr gr ρ = Fe = = 7,9 21 0, cm cm gr cm gr cm 8

Estructures compctes: (W.D. llister, Fundmentls of Mterils Science nd Engineering, 5 ed.

perfect en el sentit que els àtoms estrien perfectment ordents dins dels grns, l concentrció cd fse seri perfectment uniforme, etc.

lgunes vegdes el seu efecte és determinnt. Tot seguit frem un clssificció d lguns dels defectes més importnts. Defectes de l microestructur Porus: espi buit.

6 Estructures compctes: (W.D. llister, Fundmentls of Mterils Science nd Engineering, 5 ed., John Wiley nd Sons, 2001, EU) H: hexgonl compcte : cúbic centrt les cres Defectes de l estructur dels mterils Pel que hem dit fins r, semblri que l estructur dels mterils és perfect en el sentit que els àtoms estrien perfectment ordents dins dels grns, l concentrció cd fse seri perfectment uniforme, etc. ixò no és ixí, sinó que qulsevol dels nivells estructurls esmentts pot hver-hi defectes. Els defectes poden tenir un grn influènci sobre les propietts. lgunes vegdes el seu efecte és determinnt. Tot seguit frem un clssificció d lguns dels defectes més importnts. Defectes de l microestructur Porus: espi buit. olum normlment rrodonit. Esquerdes: mteril trenct. S hn trenct els enllços químics dels àtoms que es troben un costt i l ltre de l esquerd. Segregció: vrició dins d un mteix gr de l composició químic. quests tres defectes tmbé es troben en l mcroestructur. Defectes de l estructur cristl lin ) Defectes puntuls de l ordenció tòmic: vcnts i intersticils. cnt Intersticil 9

7 b) L mteix fronter de gr es pot considerr com un error en l ordre: Fronter d ngle petit El desordre dels àtoms un costt i l ltre de l fronter prové del fet que, cd gr, els plns cristl logràfics tenen diferents direccions. Fronter d ngle grn 40

8 c) Defectes linels: disloccions. Dislocció de vor Dislocció helicoïdl Dislocció mixt Microgrfi TEM d un litge de Titni d) Mcles (cnvi d orientció simètric sobtt): Microgrfi TEM d un llutó (W. D. llister, Fundmentls of Mterils Science nd Engineering, 5 ed., John Wiley nd Sons, 2001, EU) 41

Documentos relacionados

Classifica els polígons següents. a) b) c) d)

Classifica els polígons següents. a) b) c) d) 1 FIGURES PLNES EXERIIS PER ENTRENR-SE Polígons 1.44 lssific els polígons següents. ) b) c) d) ) Pentàgon irregulr còncu. b) Heptàgon regulr convex. c) ctògon irregulr còncu. d) Hexàgon irregulr convex.