EL ESTADO SOLIDO CLASE II

Transcripción

1 EL ESTADO SOLIDO CLASE II

2 ESTRUCTURA DE LOS METALES En la unión metálica puede considerarse que los átomos ceden sus electrones de valencia - formando una nube de e - - y se convierten en cationes Teoría del e - libre. Los átomos se mantienen en posición por la atracción a la nube de electrones y la repulsión entre los cationes. Mg K L M núcleos de cationes nube de electrones

3 DEFORMACIONES EN METALES Deformaciones elásticas Son las deformaciones que desaparecen cuando dejan de actuar las cargas, el material vuelve a sus dimensiones originales, son deformaciones reversibles.

4 DEFORMACIONES EN METALES Deformaciones plásticas Son las deformaciones que permanecen cuando dejan de actuar las cargas, el material no vuelve a sus dimensiones originales, son deformaciones irreversibles.

5 DEFORMACIONES EN METALES Gráfico Tensión vs Deformación

6 DEFORMACIONES PLASTICAS EN METALES Las deformaciones plásticas en metales se producen por deslizamiento de planos cristalográficos. El deslizamiento ocurre a lo largo de planos y de direcciones que presentan una mayor densidad atómica. La combinación de los planos de deslizamiento con las direcciones se llaman sistemas de deslizamiento.

7 Sistema de Deslizamiento. Estructura CCaC planos de mayor densidad atómica: (111), hay 4. direcciones de mayor densidad atómica: hay 3. sistemas de deslizamiento: 4 x 3 = 12

8 Sistema de Deslizamiento. Estructura CCaC Tetraedro de Thompson: formado por los 4 planos (111) cúbicos

9 Sistema de Deslizamiento. Estructura CCpC planos de mayor densidad atómica: (011), hay 6. direcciones de mayor densidad atómica: hay 2. sistemas de deslizamiento: 6 x 2 = 12

10 Sistema de Deslizamiento. Estructura CCpC

11 Sistema de Deslizamiento. Estructura HCP planos de mayor densidad atómica: (0001), hay 1. direcciones de mayor densidad atómica: hay 3. sistemas de deslizamiento: 1 x 3 = 3

12 Cantidad de átomos por celda Vértices: ( 1 / 8 ) x 8 = 1 Centro: 1 Total: 2 átomos Factor de empaquetamiento (FE): 0.68 Vértices: ( 1 / 8 ) x 8= 1 Caras: ½ x 6 = 3 Total: 4 átomos FE: 0.74 Vértices: ( 1 / 6 ) x 12 = 2 Cara superior e inferior: ½ x 2 = 1 Centro: 3 Total: 6 átomos FE: 0.74

13 CAPACIDAD DE DEFORMACION PLASTICA EN METALES CCpC Cantidad de átomos por celda: 2 Cantidad de sistemas de deslizamiento: 12 CCaC Cantidad de átomos por celda: 4 Cantidad de sistemas de deslizamiento: 12 HCP Cantidad de átomos por celda: 6 Cantidad de sistemas de deslizamiento: 3 Mayor capacidad de deformación plástica CCaC > CCpC > HCP

14 La mayoría de los metales cristalizan en el sistema cúbico y hexagonal compacto Metal Feα, Na, K, Cr, Ti, V Feγ, Cu, Ag, Au, Pb, Ni, Al Mg, Zn, Co Sistema Cristalino CCpC CCaC HCP

15 GRANO O CRISTAL Formado por la repetición ordenada en el espacio de gran cantidad de celdas unitarias (10 10 millones). Es un arreglo de mayor alcance. Se lo puede ver al microscopio. El término grano se lo aplica a metales y el término cristal se asocia a cerámicos. Grano y cristal son sinónimos.

16 Modelo que representa una agrupación de celdas unitarias (porción de un grano) Metales puros, todos los átomos son de un mismo elemento.

17 Modelo que representa una agrupación de celdas unitarias (porción de un grano) Compuestos iónicos y covalentes, los átomos o iones se ordenan de forma tal que la cantidad de átomos o iones de cada elemento responde a la relación estequiométrica del compuesto.

18 SOLIDOS CRISTALINOS Poseen un ordenamiento elemental (la celda unitaria) y un ordenamiento superior o de mayor alcance (el grano o cristal). Las celdas unitarias se repiten de manera ordenada en las tres direcciones del espacio para formar los granos. El ordenamiento compacto se corresponde con una menor energía potencial (estabilidad). Existen sólidos monocristalinos - su tamaño coincide con el tamaño del grano o cristal - y sólidos policristalinos - compuesto por la unión de varios cristales o granos. Sólido monocristalino Sólido policristalino

19 SOLIDOS AMORFOS Poseen un ordenamiento elemental (la celda unitaria) pero carecen de un ordenamiento superior o de mayor alcance (el grano o cristal). Las celdas unitarias se vinculan entre sí de manera aleatoria y no se forman granos o cristales. El arreglo es menos compacto, se corresponde con una mayor energía potencial (menor estabilidad). el ordenamiento elemental es el tetraedro de sílice

20 SOLIDOS CRISTALINOS Y AMORFOS Los sólidos cristalinos y los amorfos poseen un ordenamiento elemental (la celda unitaria). Los sólidos cristalinos forman granos o cristales. Los sólidos amorfos no forman granos o cristales. Cristales de cuarzo Ceniza volcánica formada por vidrio (amorfo)

21 SOLIDOS CRISTALINOS Y AMORFOS Diagramas de difracción de rayos X (DRX)

22 POLIMORFISMO El polimorfismo es la propiedad que presenta un elemento o compuesto de cristalizar en más de una forma cristalina estable. A las distintas formas cristalinas de un mismo elemento se las denomina formas alotrópicas. Hay formas alotrópicas que coexisten a temperatura ambiente (Diamante y grafito). Otras formas alotrópicas dependen de la temperatura. Para que una forma cristalina estable se transforme en otra es necesario una variación de energía que provoque cambios en el tipo y cantidad de enlaces y en la movilidad de los átomos (Ej.: variedades alotrópicas del hierro).

23 Diamante y Grafito coexisten a temperatura ambiente. Diamante: estructura compacta, enlaces covalentes, elevada dureza y resistencia. Grafito: cristaliza en el sistema hexagonal, con enlaces covalentes en el plano del hexágono y enlaces de Van der Waals entre los planos hexagonales. La debilidad de los enlaces entre hexágonos le otorgan al grafito su propiedad lubricante.

24 Estructura cristalina del diamante En la estructura del diamante, los átomos de carbono se disponen formando una red cúbica de caras centradas (CCaC), con la mitad de los huecos tetraédricos ocupados, mediante enlaces covalentes. De esta forma cada átomo de carbono presenta coordinación 4, por lo que forma un enlace tetraédrico unido a otros 4 átomos de carbonos. Extremadamente duro (el material más duro conocido), modulo elástico elevado, baja conductividad eléctrica, alta conductividad térmica, gran estabilidad a temperaturas altas (sobre 3700 C).

25 Estructura cristalina del grafito La estructura del grafito esta compuesta por capas de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente. Dentro de las capas, cada átomo de carbono esta unido a tres átomos coplanares por enlaces covalentes. El cuarto electrón participa en enlaces de tipo de Van der Waals (débiles) entre las capas, como consecuencia, presenta fácil separación interplanar (naturaleza desmenuzable del grafito), lo cual origina sus excelentes propiedades lubricantes (lubricante seco ). Por otro lado, presenta alta conductividad eléctrica en las direcciones cristalinas paralelas a las láminas hexagonales. Alta resistencia, buena estabilidad química a temperaturas elevadas bajo coeficiente de dilatación térmica

26 Variedades alotrópicas del hierro debido a cambios en la temperatura. Feα hasta 910ºC Feγ hasta 1390ºC Feδ 1535ºC a: 0,286 nm FE: 0,68 a: 0,3646 nm FE: 0,74 a = 0,293 nm FE: 0,68

27 ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS La base de los silicatos la constituyen el Si y el O. Estos elementos al unirse forman un tetraedro con enlaces 50% iónicos y 50% covalentes. (SiO 4 ) -4 para satisfacer las cargas negativas los silicatos se unen: - Con iones metálicos - Con otros aniones silicatos Forman parte de gran número de compuestos naturales: arenas, arcillas, feldespatos, micas.

28 ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS Silicatos que forman estructuras cristalinas Si O SiO 2 Silicatos que forman estructuras amorfas SiO 2

29 ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS Silicatos que forman cadenas simples y dobles

30 ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS Silicatos laminares Flogopita

31 ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS Montmorillonita Moscovita

32 ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS Silicatos reticulares Cuarzo

33 FORMACION Y CRECIMIENTO DE GRANOS El crecimiento de grano es dendriforme, cuando una dendrita se encuentra con otra el crecimiento se detiene en esa dirección y continua creciendo donde existe espacio disponible. Los granos se separan unos de otros por zonas denominadas límites de grano, son zonas de desorden y con mayor energía potencial.

34 FORMACION Y CRECIMIENTO DE GRANOS A medida que la temperatura cae por debajo del punto de fusión, los átomos de menor energía precipitan formando un núcleo alrededor del cual precipitan otros átomos y comienzan a formarse las celdas unitarias y luego el grano.

35 FORMACION Y CRECIMIENTO DE GRANOS La velocidad de precipitación y crecimiento depende de la velocidad de enfriamiento. Alta velocidad de enfriamiento Baja velocidad de enfriamiento Define la microestructura de los materiales, por lo tanto, sus propiedades mecánicas.

36 FORMACION Y CRECIMIENTO DE GRANOS Esquemas en los que se aprecia como disminuye el tamaño de los granos a medida que aumenta la velocidad de enfriamiento.

37 CERÁMICOS Antiguamente, el término cerámico se aplicaba a los materiales obtenidos a partir de la cocción de la arcilla. Para la ciencia de los materiales, los cerámicos son compuestos formados por metales y no metales. Los materiales cerámicos presentan enlaces totalmente iónico, o bien, predominantemente iónico con carácter covalente. Pueden existir tanto en estado cristalino como en estado amorfo. En general son duros, frágiles, con alto punto de fusión y bajas conductividades eléctrica y térmica, adecuadas estabilidades química y térmica, y alta resistencia a la compresión.

38 Lijas Corte Pulido ABRASIVOS Porcelanas Ladrillos PRODUCTOS DE ARCILLA CEMENTOS Compuestos estructurales REFRACTARIOS Arcilla refractaria Sílice Básicos CLASIFICACIÓN DE LOS CERÁMICOS CERÁMICAS DE AVANZADA Máquinas Rotores Válvulas Sensores VIDRIOS Óptica Vitrocerámicos Compuestos reforzados