Materiales: estructura, morfología y constitución Tema 2: Estructura atómica y propiedades de los metales. Modificación de propiedades: aleaciones
Contenidos del tema 1.- Redes cristalinas de los metales 2.- Propiedades de los metales 2.1- Físicas 2.2.- Químicas 2.3.- Mecánicas 2.4.- Tecnológicas 3.- Empleo de materiales 4.- Modificación de las propiedades 4.1.- Aleaciones 4.2.- Diagramas de equilibrio 4.3.- Diagrama Fe-C
1. Estructura cristalina (Redes de Bravais) Disposición ordenada y repetitiva en las tres direcciones del espacio. En metales, muchos cerámicos y algunos polímeros. Define gran parte de las propiedades mecánicas.
Factores que definen una estructura Celda unidad Átomos por unidad de celda Estructura Cristalina Densidad atómica superficial Densidad atómica lineal Nº de coordinación Factor de empaquetamiento Densidad teórica
Celda unidad (celdilla) Patrón (mínima repetición) Paralelepípedo o prisma de caras paralelas Define los ángulos y las dimensiones En metales son más importantes: Cúbica (BCC y FCC)--> 70% Hexagonal compacta (HC) Define las prop. Mecánicas, deformación plástica y la facilidad para formar aleaciones
Celdas unidad (III)
Átomos por ud. de celda Átomos contenidos Nº de coordinación Átomos vecinos más cercanos Ej: cúbico-simple=6 en la celda Ej: cúbico simple: 1/8*8=1 átomo
Densidad atómi- Densidad atómica ca lineal superficial Átomos existentes Átomos existentes en una dirección en un plano Ej: at/cm. Ej: at/cm2
Factor de empaquetamiento Relación entre el volumen de los átomos y el de la celda Da una idea de lo compacta que es 3 nº at. celda 4/ 3 R FEA= a3 Densidad teórica = at. por celda peso atómico vol.celda Nºavogadro = n A V c N A
Red cúbica centrada (BCC) Nº de átomos: 2 Propiedades: materiales resistentes a la deformación Feα, Ti, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Cr, Zr F. empaq: 0,68
Red cúbica centrada en caras (FCC) Nº de átomos: 4 Propiedades: se deforman mejor que BCC Feγ, Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Pt F. empaq: 0,74
Red hexagonal compacta (HC) Nº de átomos: 6 Propiedades: poco deformables Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr, Cd F. empaq: 0,74
Principales estructuras cristalinas
Redes de elementos compuestos
Estados alotrópicos
Estados alotrópicos del Hierro Fase líquida (>1539ºC) Feδ --> (BCC) Feγ --> (FCC) Feβ --> (BCC) Feα --> (BCC)
2. Propiedades de los metales Propiedades Físicas Propiedades Químicas Propiedades Mecánicas Propiedades Tecnológicas
Propiedades Físicas Densidad: masa contenida por unidad de volumen de un cuerpo. ρ=m/v ; (kg/m3) Punto de fusión: Tª a la que se produce el cambio de estado líquido-sólido. También se conoce el tipo de enlace. (ej: C(diam.)=3550ºC) Calor específico (c): calor necesario para elevar 1gr. Una ud. de masa. (cal/gr.; J/kg)
Propiedades Físicas Dilatación (ΔL): variación geométrica con la Tª. K es coef. de dilatación de cada material. Puede ser lineal, superficial o cúbica. ΔL=L0 K ΔT Conductividad: facilidad para transmitir la electricidad y el calor. σ=1/ρ; (Ω m)-1 Resistividad: inversa de la conductividad ρ=r A/L ; (Ω m)
Propiedades Químicas Oxidación: combinación del Oxígeno con el metal formando una fina capa. Protege: Actúa como barrera (ej: Al) No protege: se desprende (ej: Fe) Corrosión: Cuando además del oxígeno hay agua de lluvia o atmosferas contaminantes. Soluciones a la oxidación-corrosión: recubrimientos, aleaciones, pinturas...
Propiedades Mecánicas Resistencia: capacidad para soportar la deformación por una carga externa: Tracción Compresión Torsión Flexión Corte Fatiga
Propiedades Mecánicas Dureza: resistencia a ser penetrado Elasticidad: capacidad para recuperar su forma original al cesar la carga. Tenacidad: capacidad para absorber golpes sin romperse (deformandose) Fragilidad: capacidad para romperse sin deformación
Propiedades Tecnológicas Ductilidad: capacidad para deformarse en frio sin romperse. (Fe, Cu, Ni y Al). Colabiliddad: capacidad para llenar el mode completamente. (Fundición, Bronce, latón y aleaciones ligeras). Soldabilidad: aptitud de un material para soldarse con otro bajo presión y temperatura. Maquinabilidad: facilidad para ser mecanizado. (Fundición gris, bronce, acero dulce y aleaciones ligeras).
3. Empleo de los materiales Fiabiliad: Si sabemos cuales son las solicitaciones podemos elegir el material idóneo sabiendo sus propiedades. Coeficiente de seguridad: nº que aumenta la fiabilidad (también el coste). Ej: Ascensor=1,5; cimentaciones=3 Coste: siempre el menor posible
4. Modificación de las propiedades Por qué?: mejorar las propiedades que los materiales puros no tienen y disminuir el coste. Soluciónes: Aleaciones, tratamientos (térmicos, termoquímicos y superficiales)
4.1 Aleaciones Definición: unión de un metal con otro/s elementos (metálicos o no). Disolvente: está en mayor proporción. Soluto: está en menor proporción. Procedimiento: se funden en hornos los materiales a alear en sus % adecuados y se les deja solidificar
4.2 Diagramas de solidificación
4.3 Diagrama Fe-C