Materiales Metálicos 2do. Ingeniería Mecánica ESTRUCTURA Y CRISTALIZACION DE LOS METALES Ing. Víctor Gómez U. T. N Facultad Regional Tucumán
METALURGIA FISICA Es la ciencia que se ocupa de estudiar las características físicas y mecánicas de los metales y aleaciones. Esta rama estudia las propiedades de estos, según tres direcciones. Composición química. Tratamiento mecánico. Tratamiento térmico. TEORIA DEL ESTADO METALICO Las partículas de un sólido (iones, moléculas) poseen un movimiento de oscilación dentro de espacios definidos, por lo que poseen una cierta energía cinética. Estas partículas poseen potentes fuerzas de atracción electrostáticas que dan por resultado estructuras perfectamente regulares en relación a su ordenamiento siendo a su vez incompresibles. Existen dos clases de sólidos: Sólidos cristalinos o verdaderos: En estos las partículas están distribuidas en forma ordenada, formando cristales limitados por caras planas. Los sólidos verdaderos son los metales y sus aleaciones. Sólidos vítreos o amorfos o no verdaderos: (Plásticos, vidrios, resinas, etc.) En estos las partículas están distribuidas en forma desordenada, no poseen forma geométrica. Su constitución interna presenta una distribución desordenada, sus átomos están distribuidos al azar y no tienen o no forman estructuras geométricamente definidas. Al romperse, presentan una fractura curva. T f t
Distribución de los átomos en los cuerpos sólidos Átomo: Antes de continuar, presentamos una breve reseña sobre los átomos. En el año 1.874 el ingles WILLIAM CROOKES, experimentó con descargas eléctricas dentro de un tubo en el cual se había realizado vacío, descubrió que los llamados rayos catódicos podía proyectar la imagen de una pequeña rueda de paleta colocada en el tubo, sobre una pared cubierta por un material fluorescente, esto lo convenció de que los rayos eran de naturaleza material y que poseían cargas positivas y negativas, por su desviación en campo magnético. Luego siguieron numerosos estudios y experimentos como los de J. THOMSON en 1.897, ERNEST RUTHERFORD en 1.911, hasta que en 1.917 el científico danés NIELS BOHR ideó un modelo dinámico de átomo que es el que se emplea por ahora y que para nuestras aplicaciones basta. El núcleo está formado por Protones, de carga positiva y Neutrones que no tienen carga eléctrica. Los electrones tienen carga negativa y se mantienen cerca del núcleo por atracción electrostática. Como las cantidades de electrones y protones son iguales, el átomo es eléctricamente neutro. Diagrama esquemático de un Tubo de CROOKES. A es una fuente de baja tensión que calienta el cátodo C. B es una fuente de alto voltaje que suministra tensión al ánodo revestido de fósforo P. La máscara M está conectada al potencial del cátodo y su imagen se proyecta en los fósforos como el área no brillante.
Historia J. THOMSON 1.897 E. RUTHERFORD 1.911 N. BOHR 1.917 Este último modelo de átomo basta para nuestro fines, sin embargo debemos aclarar que muchas de las propiedades de los electrones, no pueden ser explicadas por este modelo y si por el modelo atómico de la mecánica cuántica. En este modelo el electrón presenta características tanto de onda como de partícula. El electrón ya no es considerado como una partícula que se mueve en un orbital discreto. Su posición pasa a ser considerada como la probabilidad de encontrar un electrón en un lugar próximo del núcleo
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL La estructura de un material puede ser estudiada en 4 niveles, Estructura atómica, arreglo de átomos, microestructura y macroestructura. Para comprender y controlar la microestructura y la macroestructura de los diversos materiales, debemos entender las estructuras atómica y cristalina. Estructura del átomo: Está compuesto de un núcleo rodeado por electrones. El núcleo contiene neutrones y protones de carga positiva. Los electrones, de carga negativa, están sujetos al núcleo por atracción electrostática. La Carga eléctrica q que lleva cada electrón y cada protón es de 1,60 x 10 19 Coulomb (C). Dado que el número de electrones y protones de un átomo es el mismo, en su conjunto el átomo es eléctricamente neutro. El Número Atómico de un elemento es igual al número de electrones o de protones en cada átomo. Un átomo de hierro que contiene 26 electrones y 26 protones, tiene un número atómico de 26. La mayor parte del Peso de un átomo se encuentra en el núcleo, la masa de cada protón y cada neutrón es de 1,67 x 10 24 g, la de cada electrón es de solamente 9,11 x 10 28 g. Valencia: La valencia de un átomo se relaciona con la capacidad del mismos para entrara en combinación química con otros elementos. Por ejemplo el agua H-O-H, H. valencia = 1, O. valencia = 2. Hay elementos que tiene mas de un valor de valencia. Estabilidad atómica y electro negatividad: Hay elementos que tienen valencia cero, el elemento es inerte, como el Argón. La electro negatividad, es la tendencia de un átomo a ganar electrones. El Aluminio tiene 3 electrones en su orbita externa, los cuales son cedidos con facilidad, los enlaces atómicos y el comportamiento químico del Aluminio, quedan determinados por este mecanismo. En el caso del Cloro, este es fuertemente electro negativo, acepta electrones con facilidad. Los elementos electro positivos, ceden electrones con facilidad. Ejemplo de esto es el Calcio. 2 8-7 Arreglo atómico mico: El arreglo atómico juega un papel importante en la microestructura y en el comportamiento del material sólido. Por ejemplo, el arreglo atómico en el Aluminio, proporciona una buena ductilidad, en el Hierro es la causa de una buena resistencia. La Celda Unitaria, es la subdivisión mas pequeña de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red. Al apilar las celdas unitarias, se puede construir toda la red. Se identifican 14 tipos de redes cristalinas o Redes de BRAVAIS. Los puntos de la red están localizados en las esquinas de las celdas y en algunos casos en el centro y en las caras de las celdas.
Enlace atómico Es característico del estado sólido, que todos los sólidos verdaderos exhiban una estructura cristalina que significa un arreglo geométrico definido de átomos. Algunos materiales, como el vidrio son rígidos a la temperatura ambiente, pero no tienen un arreglo uniforme y constante sino una distribución al azar, típica de los líquidos, por eso también se los conoce como líquidos sobre enfriados. Que mantiene juntos a los átomos o moléculas de un sólido?. Hay cuatro tipos de enlace posible. 1) Enlace iónico 2) Enlace covalente 3) Enlace metálico 4) Enlace de Van der Waals 1) Enlace iónico: Cloruro de sodio. Sal común de mesa. 2) Enlace covalente: Agua y Amoniaco 3) Enlace metálico: Plata
TABLA PERIODICA
CELDAS, MALLAS Y REDES Cuando los metales se solidifican a partir de un estado líquido, los átomos se reorganizan en varias configuraciones ordenadas, llamadas, cristales. Este arreglo de los átomos en el cristal se conoce como estructura cristalina. El grupo mas pequeño de átomos que muestra la estructura de red característica de un metal, se conoce como celda unitaria. Estructura cristalina. Es la forma geométrica de cómo, átomos, moléculas o iones se encuentran espacialmente ordenados. Los Átomos o iones son representados como esferas de diámetro fijo. Reticulado: Arreglo tridimensional de puntos en el que cada punto tiene los mismos vecinos. Celda unitaria: Es el menor grupo de átomos representativo de una determinada estructura cristalina. Número de Coordinación : El número de átomos que tocan a otro en particular, es decir el numero de vecinos mas cercanos, indica que tan estrechamente están empaquetados los átomos. Parámetro de Red : Longitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos entre estos lados. Los arreglos atómicos básicos mas comunes en los metales son: Cúbico centrado en el cuerpo (BCC) Hierro alfa, cromo, molibdeno, tantalio, tungsteno, vanadio. Cúbico centrado en las caras (FCC) Hierro gama, aluminio, cobre, níquel, plomo, plata, oro, platino. Hexagonal compacto (HCP) Berilio, cadmio, cobalto, magnesio, titanio, zinc, circonio. Redes de BRAVAIS: Existen 14 posibles redes cristalinas, de las cuales veremos seis y estudiaremos tres.
ESTRUCTURA CUBICA SIMPLE: CUBICO DE CUERPO CENTRADO CUBICO DE CARA CENTRADA EXAGONAL COMPACTO
PROPIEDADES DE LAS CELDAS Números de átomos por celda: Cada celda unitaria tiene asociada un número promedio de puntos de red. Por ejemplo, en la celda BCC, cada átomo de los vértices, es compartido por 8 celdas diferentes. Esto equivale a plantear que solamente 1/8 de cada átomo pertenece a la celda, si tenemos 8 átomos en total de vértices, entonces podremos plantear que 1/8 x 8 = 1. Si tenemos en cuenta que tenemos un átomo en el centro de la celda, decimos que el Número de átomos = 1 + 1 = 2. Para la celda FCC, para los átomos ubicados en los vértices se repite el mismo análisis, 1/8 x 8 = 1, para los átomos de las caras, los mismos son compartidos por las celdas vecinas a la celda original, o sea, 6 x ½ = 3. Así, el Número de átomos para FCC = 1 + 3 = 4 átomos por celda. Relación entre el Radio atómico y el Parámetro de red: Debido a la geometría de la celda unitaria, existe una relación matemática entre el radio de los átomos que la componen y el parámetro de red. Para los átomos que forman una estructura BCC los átomos se tocan entre sí a lo largo de la diagonal principal del cubo y luego de algunas deducciones geométricas a = 4r / 3. En la estructura FCC, los átomos se tocan entre sí a lo largo de la diagonal de cada una de las caras y la relación entre el parámetro de red y el radio atómico es a = 4r / 2, donde r es el radio atómico. ESTRUCTURA BCC a 4r a = 4r / 3 2.a ESTRUCTURA FCC a 4r a = 4r / 2 a
Número de coordinación: Es el número de átomos que están en contacto con un átomo en particular del material. El número de coordinación puede interpretarse como el número de átomos vecinos próximos que tiene cada átomo del material. En la estructura BCC, el átomo ubicado en el centro del cubo está en contacto con los 8 átomos de los vértices. El número de coordinación para esta estructura es 8. Para la celda simple es 6 y para la FCC y HCP es 12, que es el valor máximo. Factor o Grado de empaquetamiento: Es la fracción del volumen de la celda unitaria que es ocupada por los átomos. FE = GE = [(Número de átomos por celda) x (Volumen de un átomo)] / (Volumen de la celda unitaria) Imperfecciones en las Redes Vacancias: Se producen cuando faltan átomos en el ordenamiento cristalográfico. Es el defecto puntual mas simple. Intersticiales: Se producen con átomos de la misma naturaleza o cuando se efectúa una aleación. Algunos se localizan u ocupan espacios libres en al red. Dislocaciones: Se producen cuando existen planos cristalográficos incompletos VACANCIAS INTERSTICIALES ALEACION INTERSTICIAL DISLOCACIONES
Estructura cristalina del Hierro. Puntos críticos ANÁLISIS DE LA CURVA DE FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO PURO. En el intervalo entre los 1535 C y 1400 C, el hier ro tiene la red cristalina "cúbica centrada en el cuerpo (BCC por sus siglas en inglés), con sus distancias interatómicas (parámetros) iguales a 2.93 Å ( Armstrong, 1 Å = 10-8 cm.), y se denomina hierro delta. A los 1400 C, se realiza la reestructuración de la red cúbica centrada en el cuerpo y pasa a ser una red cúbica centrada en las caras (cristalización secundaria), con sus parámetros más grandes e iguales a 3.65 Armstrong, llamado hierro gama. En el intervalo entre 1400 y 898 C, el hierr o se encuentra en la forma alotrópica γ. A la temperatura de 898 C, la red cúbica centrada en las caras, Fe gama, se transforma en la red cúbica centrada en el cuerpo Fe beta, con el parámetro de la red menor que las otras dos e igual a 2.90 Å; esto nos da a entender que el hierro, al igual que todas las sustancias, al enfriarse se contrae. A la temperatura de 750ºC, la red del hierro es cúbica centrada en el cuerpo, pero con su parámetro disminuye a 2.88 Å, denominado hierro alfa. El tramo horizontal en la curva de enfriamiento a 750 C (A2), no está ligada con el cambio de estructura de la red (salvo que las distancias interatómicas disminuyen de 2.90 a 2.88 Angstrom), sino con el surgimiento de propiedades magnéticas en el hierro posee a temperaturas menores. A temperaturas superiores a 750 C, el Fe beta no es magnético Poliformismo y Alotropía : Es la propiedad que tiene un metal de existir en mas de un tipo de red espacial, si esta propiedad es reversible se denomina Alotropía y si es irreversible se lo llama Poliformismo. Estados alotrópicos del hierro Para comprender los mecanismos por los cuales se rigen los tratamientos térmicos es necesario conocer previamente las transformaciones estructurales que sufre el hierro cuando se cambia su temperatura. Cuando se calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta su estado líquido, sufre una serie de transformaciones en su estructura cristalina. A las diferentes estructuras que aparecen cuando se produce este calentamiento se las denomina estados alotrópicos. En el hierro se pueden distinguir cuatro estados alotrópicos. Hierro alfa: El hierro alfa se presenta a temperaturas inferiores a los 768ºC. Presenta una cristalización según el sistema cúbico centrado de cuerpo. No disuelve el carbono y tiene carácter magnético. A los 768ºC pierde el magnetismo. Mientras dura esta transformación la temperatura permanece constante. Las temperaturas a las cuales tienen lugar estas transformaciones se denominan puntos críticos y son representados mediante la letra A. Cuando se trata de un enfriamiento Ar, y si es un calentamiento Ac. La capacidad que posee el hierro alfa para formar soluciones sólidas es muy débil porque los espacios interatómicos disponibles son muy pequeños. La máxima cantidad de carbono que pueden disolver es de 0,025 %. Este estado recibe el nombre de ferrita. Hierro beta: Es muy similar al hierro alfa. Se forma a temperaturas comprendidas entre 768ºC y 900ºC, cristalizando en el sistema cúbico centrado de cuerpo. Se diferencia principalmente del hierro alfa en que no es magnético. Desde el punto de vista metalográfico y mecánico tiene poco interés. Hierro gamma: Se forma a temperaturas comprendidas entre los 900 y los 1400ºC. Cristaliza en el sistema cúbico centrado de caras (FCC). Tiene gran capacidad para formar soluciones sólidas, ya que dispone de espacios interatómicos grandes. Puede disolver hasta un 2% de carbono. Esta solución recibe el nombre de austenita. Hierro delta: Se forma a temperaturas comprendidas entre los 1400 y 1539ºC. Cristaliza en red cúbica centrada de cuerpo (BCC). Debido a que aparece a elevadas temperaturas, tiene poca importancia en el estudio de los tratamientos térmicos y tampoco tiene aplicación siderúrgica. Todas las transformaciones alotrópicas van acompañadas de un cambio de volumen. este hecho se puede apreciar con la ayuda de un dilatómetro.
Grafico de enfriamiento y calentamiento del Fe puro Fe α = 2,86 Å Fe β = 2,88 Å Fe δ = 2,93 Å Fe γ = 3,65 Å Å = Armstrong Nm = Nanómetro μ = Micra Átomo de Fe = 0,124 Nm 1 Å = 10 10 m 1nm = 10 9 m Átomo de C = 0,071 Nm 1 nm = 10 Å 1 micra = 10 6 m