Índice 1. Introducción... 6 1.1. Materiales e ingeniería... 6 1.2. Ciencia, tecnología e ingeniería de materiales... 6 1.3. Estructura atómica y enlaces interatómicos... 10 1.4. Tipos de materiales. Materiales estructurales. Materiales funcionales.... 17 1.5. Materiales naturales y sintéticos... 19 1.6. Competencia y selección entre materiales... 19 1.7. Perspectiva histórica... 22 2. Estructuras de los sólidos cristalinos... 23 2.1. Sistemas cristalinos y redes de Bravais... 24 2.2. Principales estructuras cristalinas de los metales... 25 2.3. Estimación de la densidad... 29 2.4. Cristalografía en celdas unidad... 29 2.5. Determinación de los cristales: Difracción de rayos X... 31 2.6. Estructura policristalina... 34 2.7. Observación microscópica... 35 3. Solidificación, defectos cristalinos y difusión en sólidos... 37 3.1. Crecimiento cristalino... 37 3.2. Defectos en los cristales... 37 3.3. Vector de Burgers... 44 3.4. Endurecimiento por reducción del tamaño de grano... 46 3.5. Monocristales y nanocristales... 49 3.6. Difusión... 49 4. Diagramas de equilibrio de fases... 54 4.1. Sistemas isomórficos binarios... 55 4.2. Aleaciones eutécticas y eutectoides... 59 5. Aleaciones hierro-carbono... 61 5.1. Diagrama de equilibrio de fases hierro-carburo de hierro... 61 5.2. Acero y fundiciones... 61 5.3. Clasificación de las aleaciones férricas... 61 5.4. Cinética de las transformaciones de fase y tratamientos térmicos comunes... 61
6. Aleaciones metálicos no férricos... 61 6.1. Aleaciones de aluminio... 61 6.2. Aleaciones de titanio... 61 6.3. Aleaciones de níquel... 61 6.4. Aleaciones de magnesio... 61 6.5. Tecnología de metales... 61 7. Materiales poliméricos... 62 7.1. Polimerización... 62 7.2. Arquitectura molecular... 62 7.3. Polímeros amorfos y semicristalinos... 62 7.4. Polímeros termoplásticos... 62 7.5. Polímeros termoestables... 62 7.6. Elastómeros... 62 7.7. Adhesivos... 62 7.8. Tecnología de polímeros... 62 8. Materiales cerámicos... 62 8.1. Cerámicas iónicas... 62 8.2. Silicatos... 62 8.3. Cerámicas avanzadas... 62 8.4. Vidrios... 62 8.5. Tecnología de cerámicas y vidrios... 62 9. Materiales compuestos... 62 9.1. Definición y clasificación de los materiales compuestos... 62 9.2. Funciones de la matriz i el refuerzo... 62 9.3. Tipo de matrices y refuerzos... 62 9.4. Compuestos de matriz metálica (MMC) y de matriz cerámica (CMC)... 62 9.5. Materiales sándwich... 62 9.6. Nanocompuestos... 62 9.7. Tecnología de materiales compuestos... 62 10. Materiales naturales... 63 10.1. Materiales de construcción... 63 10.2. Estructura del hueso... 63 10.3. Madera... 63 10.4. Fibras celulósicas... 63
10.5. Biopolímeros... 63 11. Materiales funcionales... 63 11.1. Conductores, semiconductores y aislantes eléctricos... 63 11.2. Imanes... 63 11.3. Materiales por aislamiento térmico... 63 11.4. Materiales por aplicaciones ópticas... 63
6 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales 1. Introducción 1.1. Materiales e ingeniería Los materiales son una parte esencial de todos los productos y procesos. Consideramos material cualquier substancia generalmente sólida. La ciencia de materiales provee a los ingenieros científicos del conocimiento requerido para Seleccionar materiales apropiados Diseñar materiales adecuados para aplicaciones específicas Utilizar materiales de forma adecuada y eficaz con seguridad Disponer de estos materiales después de su vida útil 1.2. Ciencia, tecnología e ingeniería de materiales La disciplina ciencia de los materiales implica investigar la relación entre las estructura y las propiedades de los materiales, además, junto al procesamiento de estos, forman el marco de trabajo de las ciencias de materiales. Por el contrario, la ingeniería de los materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. En este contexto se hace hincapié en las relaciones existentes entre las propiedades de los materiales y sus elementos estructurales. Esquemáticamente tenemos Propiedades Diseño Composició Procesamiento Comportamient o en servicio y durabilidad Reciclado Estructura de los materiales Estructura Estructura es un término confuso que necesita alguna explicación. Normalmente la estructura de un material se relaciones con la disposición de sus componentes internos. La estructura subatómica implica a los electrones dentro de los átomos individuales y a las interacciones con su núcleo. A nivel atómico, la estructura se refiere a la organización de átomos o moléculas entre sí. El próximo gran dominio Página 6
7 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales estructural, que contiene grandes grupos de átomos enlazados entre sí, se denomina microscópico y significa que se puede observar utilizando algún tipo de microscopio. Finalmente, los elementos estructurales susceptibles de apreciarse a simple vista se denominan macroscópicos. Propiedades de los materiales La noción de propiedad necesita cierta elaboración. Un material en servicio está expuesto a estímulos externos que provocan algún tipo de respuesta. Por ejemplo, una muestra sometida a esfuerzos experimenta deformación; o un metal pulido refleja la luz. Las propiedades de un material se expresan en términos del tipo y magnitud de la respuesta a un estímulo específico impuesto. Las definiciones de las propiedades suelen ser independientes de la forma y del tamaño del material. Todas las propiedades importantes de los materiales sólidos se agrupan en seis categorías, para cada una de ellas existe un tipo característico de estímulos capaz de provocar respuestas diferentes. Estas categorías son Mecánicas: Las propiedades mecánicas relacionan la deformación con la carga o fuerza aplicada; ejemplos de ellas son el módulo elástico y la resistencia. Eléctricas: En las propiedades eléctricas, tales como la conductividad eléctrica y constante dieléctrica, el estímulo es un campo eléctrico. Térmicas: El comportamiento térmico de los sólidos se representa en función de la capacidad calorífica y de la conductividad térmica. Magnéticas: Las propiedades magnéticas se refieren a la respuesta de un material frente a la influencia de un campo magnético. Ópticas: Para las propiedades ópticas, el estímulo es la radiación electromagnética o lumínica; el índice de refacción y la reflectividad son propiedades ópticas representativas. Químicas: Finalmente las propiedades químicas indican la reactividad química de un material. Existen materiales anisotrópicos, lo que significa que tienen diferentes propiedades en función de la dirección en que se tome para experimentar con él. Página 7
8 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Por qué se estudian los materiales? Selección de materiales Muchos científicos técnicos o ingenieros, sean mecánicos, civiles, químicos o eléctricos, en alguna ocasión se encontrarán con un problema de diseño en el cual intervengan materiales. El engranaje de una transmisión, la superestructura de un edificio, el componente de una refinería de petróleo o el chip de un circuito integrado son algunos ejemplos. Por descontado, el ingeniero y el científico de materiales son especialistas totalmente involucrados en la investigación y en el diseño de materiales. A menudo el problema que se presenta es la elección del material más idóneo de entre los muchos miles de materiales disponibles. Existen varios criterios en los cuales se basa normalmente la decisión final. En primer lugar, deben caracterizarse las condiciones en que el material prestará servicio, y se anotarán las propiedades requeridas por el material para dicho servicio. En raras ocasiones un material reúne una combinación ideal de propiedades, por lo que, muchas veces, habrá que reducir una en beneficio de otra. El ejemplo clásico lo constituyen la resistencia y la ductilidad; limitada. En estas circunstancias habrá que establecer un compromiso razonable entre dos o más propiedades. La segunda consideración se refiere a la degradación que el material experimenta en servicio. Por ejemplo, las elevadas temperaturas y los ambientes corrosivos disminuyen considerablemente la resistencia mecánica. La consideración más convincente es probablemente la económica. Cuál es el coste del producto acabado? Un material puede que reúna un conjunto idóneo de propiedades per resulte caro. De nuevo se establece un inevitable compromiso. El coste de la pieza acabada también incluye los gastos de los procedimientos de conformación para conseguir la forma final. El coste de producción viene dado por Donde: Página 8
9 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Es el coste unitario total Es el coste del material por pieza Es el coste del equipo Es el coste laboral por unidad de tiempo Es el número de piezas a producir Es la productividad, piezas por unidad de tiempo Cuanto más familiarizados estén los ingenieros o los científicos con las diferentes características y relaciones propiedad-estructura de los materiales, así como con las técnicas de su procesado, mayor será su habilidad y confianza para hacer elecciones sensatas basadas en estos criterios. Resumiendo, tenemos que Los principios que rigen el comportamiento de los materiales se basan en la ciencia y son comprensibles. Las propiedades de un determinado materia se rigen por su estructura. El procesamiento puede alterar la estructura de maneras concretas y predecibles. Las propiedades de todos los materiales cambian con el tiempo y con la exposición al medio ambiente. Al seleccionar un material para una aplicación específica se deben efectuar las pruebas necesarias que garanticen que el material realmente tiene esas propiedades y si seguirá siendo adecuado para la vida útil esperable del producto. Un ingeniero debe ser capaz de medir las propiedades más importantes de un material y determinar cómo estas propiedades afectarán a su rendimiento. Además debe evaluar las consideraciones económicas que rigen, en última instancia, la mayoría de los problemas que involucran a lo materiales. Finalmente también debe tener en cuenta los efectos a largo plazo del uso de un material específico sobre el medio ambiente. Página 9
10 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales 1.3. Estructura atómica y enlaces interatómicos Introducción Algunas de las propiedades más importantes de los materiales sólidos dependen de la disposición geométrica de los átomos y de las interacciones que existen entre los átomos y las moléculas constituyentes. Importancia del enlace químico Para explicar el comportamiento de entidades atómicas y subatómicas, se estableció un conjunto de principios y leyes conocido como mecánica cuántica. Una primera consecuencia de la mecánica cuántica fue el modelo atómico de Bohr simplificado, donde se supone que los electrones giran alrededor del núcleo atómico en orbitales discretos, y la posición de un electrón particular se define, con una determinada precisión, en términos de su orbital. Otro importante principio de la mecánica cuántica estipula que las energías de los electrones están cuantizadas; es decir, los electrones sólo pueden tener valores específicos de energía. Los cuatro números cuánticos Cada electrón de un átomo se caracteriza por cuatro parámetros, llamados números cuánticos. El tamaño, la forma y la orientación espacial de la densidad de probabilidades de un electrón están determinados por tres de estos números cuánticos. Además, los números cuánticos separan los niveles energéticos de Bohr en subniveles e indican el número de estados de cada subnivel. Los niveles están determinados por Número cuántico principal : toma valores enteros empezando por la unidad. A veces, los niveles se designan con las letras K,L,M,N,O, etc. Que corresponden respectivamente a Donde se asigna a los electrones situados en la capa o nivel energético más próximo al núcleo. Página 10
11 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Número cuántico del momento angular : significa el subnivel y se designa mediante una letra minúscula valor de. El número de estos susubniveles está restingido por el ( ). Determina la forma general de la nube electrónica. Número cuántico magnético valor de hay : indica la orientación espacial del orbital. Para cada valores Número cuántico de spin. : indica el sentido de giro del campo magnético que produce el electrón al girar sobre su eje. Toma valores y. No mantiene ninguna relación con los demás números cuánticos. Los electrones con el smimo valor tienen espines paralelos, mientras que los de valor opuestos presentan espines opuestos. Configuraciones electrónicas Para determinar cómo se llenan estos estados con electrones se utiliza el principio de exclusión de Pauli. Este principio establece que cada estado electrónico sólo puede estar ocupado por dos electrones que deben tener esppines opuestos. Así, los subniveles puedenacomodar un total de electrones respectivamente.no obstante, no todos los estados posibles de un átomo están llenos de electrones. En la mayoría de los átomos los electrones llenan los estados de menor energía de los niveles y subniveles electrónicos: dos electrones con espines opuestos por estados. Cuando todos los electrobes ocupan las energías más bajas de todas las posibles y de acuerdo con las anteriores restricciones, se dice que el átomo se encuentra en su estados fundamental. Sin embrgo son osibles las transiciones del electrón a estados energéticos superiores. La configuración electrónica o estructura de un átomo representa el modo como se van ocupando estos estados. En la notación convencional, el número de electrones de cada subnivel se indica mediante un superíndice después del nivel o subnivel designado. Página 11
12 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Interacciones entre átomos Los electrones de valencia ocupan los niveles más externos. Estos electrones son extraordinariamente importantes, puesto que participan en el enlace entre átomos de los agregados atómicos y moleculares ya que los átomos ganan, pierden o comparten electrones, lo cual representa la base del enlace químico. Algunos átomos que tienen la denominada configuración electrónica estable presentan los estados de los niveles más externos o de los electrones de valencia completamente llenos. Muchas de las propiedades físicas y químicas de los sólidos tienen su explicación en los electrones de valencia. Distancia óptima entre átomos Las interacciones son una competencia entre fuerzas atractivas y repulsivas que se ejercen dos átomos debido a las cargas del núcleo y los electrones. A grandes distancias, las interacciones son despreciables, pero al aproximarse, cada átomo ejerce fuerzas sobre el otro. Estas fuerzas se llegan a compensar para una determinada distancia de separación entre átomos por lo que se alcanza el equilibrio que corresponde al estado de mínima energía. Esta energía mínima se denomina energía de enlace y la distancia en la que se da es la distancia óptima o distancia de enlace. Página 12
13 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Polaridad La polaridad es una propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas en la misma. Esta propiedad está íntimamente relacionada con otras propiedades como la solubilidad, punto de fusión, punto de ebullición, fuerzas intermoleculares, etc. Electronegatividad La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí mismo en la formación de un enlace covalente. Si nos situamos en la tabla periódica, la electronegatividad aumenta si nos desplazamos de izquierda a derecha y de abajo a arriba. Así pues el elemento más electronegativo es el flúor seguido del oxígeno, por el contrario el elemento menos electronegativo es el francio. Página 13
14 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Enlaces interatómicos Existen tres tipos de enlaces interatómicos Enlace iónico: Este tipo de enlace siempre existe en compuestos formados por elementos metálicos y no metálicos, o sea, entre elementos situados en los extremos horizontales de la tabla periódica. Los átomos de un elemento metálico dan fácilmente sus electrones de valencia a átomos de un no metal, que es, a su vez, un buen receptor de electrones. En este proceso todos los átomos adquieren la configuración estable de gas inerte, para ello se han de ionizar, cargándose eléctricamente. La magnitud del enlace iónico es igual en todas las direcciones alrededor de un ion y se denomina no direccional. Para que un material iónico sea estable es necesario que todos los iones positivos tengan como vecinos más cercanos iones cargados negativamente, y viceversa. El enlace predominante en los materiales cerámicos es iónico. Las energías de enlace suelen valer de a y esta elevada cuantía se refleja en las altas temperaturas de fusión. Los materiales iónicos se caracterizan por la dureza, fragilidad y por ser tanto eléctrica como térmicamente aislantes. Como se discute en los capítulos siguientes, estas propiedades tienen su origen en la configuración electrónica y/o en la naturaleza del enlace iónico. Enlace covalente: La configuración electrónica estable del enlace covalente se consigue compartiendo electrones entre átomos vecinos. Dos átomos unidos covalentemente contribuyen cada uno al enlace con al menos un electrón; los electrones compartidos se consideran de ambos átomos. Página 14
15 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Muchas moléculas de elementos no metálicos así como muchas moléculas que contienen átomos diferentes tienen enlaces covalentes. Además, este tipo de enlace aparece en sólidos elementales. Los enlaces covalentes pueden ser muy fuertes y por tanto estos elementos serán duros con temperaturas de fusión muy altas, pero también pueden ser muy débiles y suceder al contrario. En realidad, muy pocos compuestos tienen enlaces iónicos o covalentes puros, sino que tienen enlaces interatómicos parcialmente iónicos y parcialmente covalentes. En un compuesto, el grado de participación de cada uno de estos dos tipos de enlace depende de las posiciones relativas que ocupen los átomos constituyentes en la tabla periódica. Es la diferencia de electronegatividad la que permite asignar un porcentaje de carácter iónico al enlace según la expresión [ ( ) ] Enlace metálico: Se presenta en los metales y aleaciones. Se ha propuesto un modelo muy sencillo que se aproxima bastante al esquema de este enlace. Los materiales metálicos tienen uno, dos o, a lo sumo, tres electrones de valencia. En este modelo, los electrones de valencia del sólido no pertenecen a ningún átomo en particular y son más o menos libres de circular a través de todo el metal. Se puede interpretar que pertenecen al metal, formando un mar de electrones o una nube de electrones. El núcleo y los electrones que no son de valencia forman cationes, que poseen una carga positiva igual al total de electrones de valencia por átomo. Los electrones libres contrarrestan las fuerzas repulsivas generadas entre cationes (cargados positivamente). En consecuencia el enlace metálico tiene carácter no direccional. Los electrones libres actúan como elemento de unión de los iones cargados positivamente. Página 15
16 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales El enlace generado puede ser fuerte o débil. Este tipo de enlace es característico de los metales de los alcalinos y los alcalinotérreos y de todos los elementos metálicos. Estos materiales debido a los electrones libres, son buenos conductores de la electricidad y del calor. Enlace secundario o enlace de Van der Waals Los enlaces secundarios, de Van der Waals, o físicos son débiles en comparación con los primarios o químicos, de manera que pasan desapercibidos en el caso de que se dé alguno de los tres tipos de enlaces primarios. La fuerza de enlace secundario surge de los dipolos atómicos o moleculares. En esencia, un dipolo aparece si hay alguna separación entre las regiones positiva y negativa de un átomo o molécula. El enlace es el resultado de la atracción entre el extremo positivo de un dipolo y la región negativa del vecino. Interacciones dipolares ocurren entre dipolos inducidos y dipolos permanentes. El enlace por puentes de hidrógeno, un tipo especial de enlace secundario, parece entre moléculas que tienen átomos de hidrógeno en su constitución. Veamos los diferentes tipos de interacciones entre dipolos Enlace dipolo inducido fluctuante: En una molécula que normalmente es simétrica eléctricamente se puede crear un dipolo inducido por la distribución espacial de los electrones respecto a los núcleos cargados positivamente. Todos los átomos están vibrando constantemente y pueden causar distorsiones instantáneas en la simetría eléctrica de los átomos y moléculas, creando Página 16
17 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales pequeños dipolos eléctricos. A su vez, los dipolos suelen desplazar las distribución electrónica de átomos o moléculas próximas y generar otro dipolo que luego se enlaza débilmente al primero: este es un enlace tipo Van der Waals. Estas fuerzas atractivas que se originan entre gran número de átomos o moléculas son temporales y su magnitud fluctúa con el tiempo. Enlace dipolo inducido-molécula polar: En algunas moléculas existen dipolos permanentes como consecuencia de la distribución asimétrica de regiones cargadas positiva y negativamente, son las denominadas moleculares polares. Las moléculas polares también pueden inducir dipolos en las moléculas apolares próximas, y el enlace es la resultante de las fuerzas de atracción entre dos moléculas. Además, la magnitud de este enlace aumenta con los dipolos inducidos fluctuantes. Enlace con dipolos permanentes: También existen fuerzas de Van der Waals entre moléculas polares adyacentes. Las energías de enlace asociadas son significativamente mayores que las de los enlaces entre dipolos inducidos. Es el tipo de enlace secundario más fuerte, el enlace por puente de hidrógeno, es un caso particular del enlace de molécula polar. 1.4. Tipos de materiales. Materiales estructurales. Materiales funcionales. Los materiales sólidos se clasifican en tres grupos: metales, cerámicas y polímeros. Este esquema se basa en la composición química y en la estructura atómica. Por lo general, la mayoría de los materiales encajan en un grupo u otro, aunque hay materiales intermedios. Además existen otros dos grupos de importantes materiales técnicos: materiales compuestos (composite) y semiconductores. A continuación se describen brevemente y se dan sus características más representativas Metales: Son combinaciones de elementos metálicos. Tienen un gran número de electrones deslocalizados que no pertenecen a ningún electrón en concreto. La mayoría de las propiedades de los metales se atribuyen a estos electrones. Entre ellas tenemos una gran conductividad eléctrica y térmica, son opacos a la luz visible y la superficie tiene apariencia lustrosa. Además, los metales son Página 17
18 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales resistentes, aunque deformables, lo que contribuye a su utilización en aplicaciones estructurales. Cerámicas: Los compuestos químicos constituidos por metales y no metales pertenecen al grupo de las cerámicas, que incluye minerales de arcilla, cemento y vidrio. Por lo general se trata de materiales que son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos son más resistentes que los metales y los polímeros. Desde el punto de vista mecánico, las cerámicas son duras y muy frágiles. Polímeros: Lo polímeros comprenden materiales que van desde los familiares plásticos al caucho. Se trata de compuestos orgánicos, basados en el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos, caracterizados por la gran longitud de las estructuras moleculares. Los polímeros poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad. Existen dos tipos de polímeros: Polímeros termoplásticos: no tiene enlaces fuertes entre moléculas adyacentes. Pueden ser reblandecidos y moldeados repetidamente. Polímeros termoestables: tienen enlaces fuertes entre moléculas y no pueden ser moldeados dos veces. Materiales compuestos: Se han diseñado materiales compuestos formados por más de un tipo de material. La fibra de vidrio, que es vidrio en forma filamentosa embebido dentro de un material polimérico, es un ejemplo familiar. Los materiales compuestos están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente pero la mayoría son resistentes pero frágiles. Puesto que están formados por átomos de metales y no metales, en las cerámicas pueden participar elementos de toda la tabla periódica. La mayoría de los materiales desarrollados últimamente son materiales compuestos. Existen diferentes tipos: Composites a base de partículas: Son materiales que contienen un gran número de partículas rígidas distribuidas y unidas a una matriz. El hormigón es un ejemplo (grava con cemento). Composites reforzados por fibras: Son fibras resistentes y orientadas en una matriz, que las protege al tiempo que transmite las fuerzas entre Página 18
19 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales ellas. El composite de matriz metálica con fibras de, usado en motores a reacción. Composites laminares: Consisten en capas o láminas alternantes de diferentes materiales unidos entre sí. La chapa de madera y las capas de resina epoxy utilizados para hacer la madera contrachapada sería un ejemplo. 1.5. Materiales naturales y sintéticos Según el origen del material podemos clasificar los materiales en Materiales naturales: Son obtenidos a partir de materias primas que provienen de la naturaleza. Tiene una alta complejidad estructural, son los primeros que fueron utilizados. Podemos incluir los materiales biológicos como por ejemplo el biopolímero. Materiales sintéticos: Tratan de imitar los naturales. Resultan más difíciles de fabricar ya que los naturales tienen estructuras complicadas. 1.6. Competencia y selección entre materiales Existen demasiados materiales disponibles como para tener que realizarse un análisis detallado con cada uno, de cara a una aplicación determinada. Los ingenieros aplican la heurística para estrechar la búsqueda. Se denomina heurística a la capacidad de un sistema para realizar de forma inmediata innovaciones positivas para sus fines. La capacidad heurística es un rasgo característico de los humanos, desde cuyo punto de vista puede describirse como el arte y la ciencia del descubrimiento y de la invención, o de resolver problemas mediante la creatividad y el pensamiento lateral o pensamiento divergente. Evolución de las propiedades con el tiempo Los científicos e ingenieros deben tener en consideración el hecho de que un material debe aguantar un tiempo determinado y asegurar que el escogido mantengan un nivel de propiedades aceptable toda su vida útil o vida en servicio del producto. Las propiedades de lo materiales cambian con el tiempo por diversas causas Página 19
20 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Fatiga: es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas y fluctuantes. En estas circunstancias, la fractura puede ocurrir a un nivel de tensión sensiblemente menor que la resistencia a la tracción o el límite elástico correspondiente a una carga estática. El término fatiga se utiliza debido a que este tipo de fractura normalmente ocurre después de un período largo de tensiones repetidas o de deformaciones cíclicas. La fatiga es importante ya que es la primera causa de rotura de los materiales. Corrosión: Los medios corrosivos tienen una influencia negativa y reducen la vida a la fatiga. Incluso el medio de la atmósfera normal afecta el comportamiento a la fatiga de algunos materiales. Generalmente se aplica a metales Degradación Sostenibilidad La sostenibilidad es donde confluyen las necesidades de la generación presente con el compromiso de propiciar a las generaciones futuras la posibilidad de satisfacer las suyas. El diseño sostenible agrupa cuatro aspectos clave La evaluación de los métodos de ahorro de energía y agua La búsqueda de oportunidades para reciclar o reutilizar los materiales La selección de recursos renovables cuando sea posible La consideración del uso final (vertedero, reciclaje, etc.) de un material como parte de su proceso de diseño y selección Ingeniería verde Las agencias de protección medioambiental (EPA) definen ingeniería verde como el diseño, comercialización y uso de procesos y productos que sean factibles y rentables al tiempo que minimicen la contaminación y el riesgo para la salud de las personas y del medioambiente. La clave son los ciclos de vida de los productos. Cada material o proceso tiene asociado un factor de conversión a gases emitido. Para evaluar estas emisiones se utiliza una unidad de magnitud que consiste en las hectáreas de biomasa que consumirían ese gas. Página 20
21 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Sus nueve principios son 1. Diseñar procesos y productos de manera integral, usar sistemas de análisis, e integrar las herramientas de evaluación del impacto ambiental 2. Conservar y mejorar los ecosistemas naturales y proteger la salud y el bienestar de las personas 3. Pensar en todas las actividades de ingeniería en el ciclo de vida útil 4. Asegurarse de que todas las entradas y salidas del balance de materiales y energía son intrínsecamente seguras 5. Reducir al mínimo el agotamiento de los recursos naturales 6. Esforzarse para evitar los residuos 7. Desarrollar y aplicar soluciones ingenieriles siendo conscientes de la geografía local, aspiraciones y culturas 8. Cultivar soluciones más allá de las tecnologías actuales o dominantes, mejorar, innovar e inventar (tecnologías) para lograr la sostenibilidad 9. Involucrar activamente a las comunidades y a los interesados en el desarrollo de soluciones de ingeniería Página 21
22 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales 1.7. Perspectiva histórica La importancia de los materiales en nuestra cultura es mayor que lo que habitualmente se cree. Prácticamente cada segmento de nuestra vida cotidiana está influido en mayor o menor grado por os materiales, como por ejemplo transporte, vivienda, vestimenta, comunicación, recreación y alimentación. Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado íntimamente vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. En efecto, las primeras civilizaciones se conocen con el nombre del material que alcanzó mayor grado de desarrollo. El hombre primitivo sólo tuvo acceso a un número muy limitado de materiales, que encontró en la naturaleza: piedras, madera, arcilla, cuero y pocos más. Con el transcurso del tiempo, el hombre descubrió técnicas para producir materiales con propiedades superiores a las de los naturales, entre estos nuevos materiales se encontraban la cerámica y algunos metales. Además, se descubrió que las propiedades de un material se podrían modificar por tratamiento térmico o por adición de otras substancias. En este aspecto la utilización de los materiales era totalmente un proceso de selección; esto es, de un conjunto limitado de materiales se decidía cuál era, en virtud de sus características, el más idóneo para una aplicación particular. Hace relativamente poco tiempo que los científicos llegaron a comprender la relación entre elementos estructurales de los materiales y sus propiedades. Este conocimiento, adquirido en los últimos 50 años aproximadamente. Los ha capacitado, en alto grado, para modificar o adaptar las características de los materiales. Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad; se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la confortabilidad de nuestra existencia, va asociado a la disponibilidad de materiales adecuados. El avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del progreso de una tecnología. Página 22
23 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales 2. Estructuras de los sólidos cristalinos En el capitulo anterior se han descrito los enlaces atómicos determinados por la configuración electrónica de los átomos individuales. Ahora se discute el nivel siguiente de la estructura de los materiales: la disposición adoptada por los átomos en el estado sólido. En este apartado nos preguntaremos como están dispuestos los átomos en los materiales, cómo se miden, forman y crecen los cristales y que tipo de defectos se presentan en ellos y la manera que afectan. La estructura de los sólidos es importante dado que determinan las propiedades del material y estos son seleccionados en base a ellas. Además esta estructura puede ser alterada por el procesamiento. Podemos hablar de estructura a cuatro niveles Estructura atómica: Nos informa de los átomos que están presentes y las propiedades que poseen. Estructura cristalina: Explica la distribución de dichos átomos y la vinculación que existe entre ellos. Microestructura: En ella se pueden identificar qué cristales hay Macroestructura: Se puede observar como las microestructuras se propagan en el espacio hasta configurar un material detectable a simple vista. Los materiales sólidos se pueden clasificar según la regularidad con que se sitúan, unos respecto de otros, los átomos o iones. En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas. El orden de largo alcance no existe en los materiales que no cristalizan también llamados amorfos, los cuales solo tienen orden a pequeña escala, quedando determinadas sólo las posiciones de los vecinos más próximos (como en la serie de moléculas de agua de la imagen). Página 23
24 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales 2.1. Sistemas cristalinos y redes de Bravais Algunas propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material; es decir, de la ordenación espacial de átomos, iones y moléculas dentro de una red tridimensional. Hay un gran número de estructuras cristalinas diferentes que tienen, todas ellas, orden atómico de largo alcance. Al describir la estructura cristalina se consideran los átomos como esferas sólidas con diámetros muy bien definidos. Es el denominado modelo atómico de esferas rígidas, en el cual las esferas representan átomos macizos en contacto. En el contexto de las estructuras cristalinas a menudo se utiliza la palabra red; en este sentido red significa disposición tridimensional de puntos coincidentes con las posiciones de los átomos. Así pues los materiales cristalinos se organizan en uno de los 14 patrones tridimensionales llamados redes de Bravais. El orden atómico de los sólidos cristalinos indica que grupos de pocos átomos forman un patrón que se repite en el espacio. Al describir la estructura cristalina conviene Página 24
25 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales dividirla en las pequeñas entidades, que se repiten, llamadas celdas unitarias. La celda unitaria de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o prismas con tres conjuntos de caras paralelas. Se eligen para representar la simetría de la estructura cristalina, de modo que las posiciones de los átomos en el cristal se puedan representar desplazando a distancias discretas la celda a lo largo de los ejes. De este modo, la celda unitaria es la unidad estructural fundamental y define la estructura cristalina mediante su geometría y por la posición de los átomos dentro de ella. Los vértices coinciden con los centros de las esferas rígidas que representan los átomos. Para definir algunas estructuras cristalinas es necesario establecer más de una celda unitaria; sin embargo, generalmente se usa la celda unitaria que tiene el mayor nivel de simetría geométrica. Para describir cada una de las redes, se definen lo que llamamos parámetros de la red. Estos parámetros de red hacen referencia a la distancia constante entre las celdas unitarias en una estructura cristalina. Generalmente se usan tres parámetros tres ángulo y que definen la forma de la red. Sin embargo, en el caso especial de redes cúbicas, todos los parámetros son iguales, con lo cual nos referimos a ellos como de igual que los ángulos son iguales y de valor estructuras cristalinas hexagonales, los parámetros únicamente consideraremos. Del mismo modo, en las son iguales, por l que. 2.2. Principales estructuras cristalinas de los metales El tipo de enlace de este grupo de materiales es metálico y de naturaleza no direccional. Por consiguiente, no hay restricciones en cuanto al número y posición de Página 25
26 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales átomos vecinos más próximos; lo cual conduce, para la mayoría de los metales, a estructuras cristalinas con gran número de vecinos muy próximos y densamente empaquetados. Utilizando el modelo de esferas rígidas en la descripción de los metales, cada esfera representa un catión en la estructura cristalina. La mayoría de los metales más corrientes cristaliza en una de las estructuras cristalinas siguientes Estructura cristalina cúbica simple (SC) Consta de un átomo en cada vértice y no posee ningún átomo situado en posiciones intersticiales. Por la geometría de la estructura se puede obtener que Siendo el radio atómico del elemento y el lado del cubo en el que están contenidos. Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) La estructura cristalina exige que muchos metales tengan una celda unitaria de geometría cúbica, con los átomos localizados en los vértices del cubo y en los centros de todas las caras del cubo. Es la denominada estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC). La figura de la derecha muestra el modelo de esferas rígidas de la celda unitaria FCC, el agregado de átomos representa una sección del cristal formada por muchas celdillas unidad. Estas esferas o cationes están en contacto entre sí a lo largo de la diagonal. La longitud de la arista del cubo y el radio atómico se relacionan mediante la siguiente fórmula Esta fórmula se deduce aplicando el teorema de Pitágoras dos veces en la geometría de la celda unitaria. Página 26
27 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales En los cristales de estructura FCC, cada átomo del vértice es compartido con ocho celdas unitarias, mientras que los átomos centrados en las caras sólo son compartidos con dos celdas. Esto se puede ver también en la imagen anterior. Así pues podemos hablar de un nombre de átomos eficaces que en este caso es de 4 ya que La celda unitaria comprende el volumen del cubo generado desde los centro de los átomos de los vértices. Dos características importantes de la estructura cristalina son el número de coordinación y el factor de empaquetamiento atómico (FEA). En los metales, cada átomo siempre está en contacto con el mismo número de átomos vecinos, que es el número de coordinación. En la estructura cúbica centrada en las caras, el número de coordinación es 12. El FEA es la fracción de volumen de las esferas rígidas en una celdilla unidad en el modelo atómico de las esferas rígidas En la estructura FCC el factor de empaquetamiento atómico es, que es el máximo empaquetamiento posible para esferas rígidas del mismo tamaño. El FEA viene dado por ( ) Los metales más característicos tienen factores de empaquetamiento atómico relativamente grandes, para maximizar el efecto pantalla de la nube de electrones libres. Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Otra estructura común en los metales también es una celda unitaria cúbica que tiene átomos localizados en los ocho vértices y un átomo en el centro. Esta estructura cristalina se denomina cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Página 27
28 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Los átomos del centro y de los vértices se tocan mutuamente a lo largo de las diagonales del cubo y la longitud de la arista de la celda y el radio se relacionan mediante la siguiente expresión Cada celdilla unidad BCC tiene asociados dos átomos: un átomo equivalente a un octavo de cada uno de los ocho átomos de los vértices, que son compartidos con otras ocho celdas unitarias, y el átomo del centro de la celda, que no es compartido. Además, las posiciones de los átomos del centro y del vértice son equivalentes. El número de coordinación de la estructura cristalina cúbica centran en el cuerpo es 8: cada átomo situado en el centro de la celda está rodeado por ocho átomos situados en los vértices. Debido a que el número de coordinación es menor en la estructura BCC que en la FCC, también el factor de empaquetamiento atómico es menor para BCC, el cual toma un valor de. Estructura cristalina hexagonal compacta (HCP) No todos los metales tienen celdas unitarias con simetría cúbica; la última estructura cristalina que se discute es la que tiene celdilla unidad hexagonal. La figura de a continuación muestra la celda unidad, en el modelo de esferas reducidas, y en la imagen de la derecha se aprecia un conjunto de varias celdas unidad HC. Página 28
29 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Las bases superior e inferior consisten en hexágonos regulares con sus átomos en los vértices y uno en el centro. Otro plano que provee de tres átomos adicionales a la celda unitaria está situado entre ambos planos. Cada celda unitaria equivale a seis átomos: cada átomo situado en los 12 vértices superiores e inferiores contribuye con la sexta parte, los 2 átomos del centro de los hexágonos contribuyen enteramente. Se puede ver también que representan las dimensiones corta y larga de la celda unidad respectivamente. La relación debe ser ; sin embargo, para algunos metales HC esta relación se desvía del valor ideal. El número de coordinación y el factor de empaquetamiento atómico para los cristales de estructuras HC son idénticos que para los FCC: 12 y 0,74 respectivamente. 2.3. Estimación de la densidad El conocimiento de la estructura cristalina de un sólido metálico permite el cálculo de su densidad mediante la siguiente relación Donde Número de átomos asociados a cada celda unitaria Peso de atómico Volumen de la celda unitaria Número de Avogadro ( ) La estimación asume una red perfecta sin defectos. Las redes reales (los materiales) presentan imperfecciones que hacen que la densidad real sea ligeramente menor que la predicción teórica. 2.4. Cristalografía en celdas unidad Al hablar de materiales cristalinos, a menudo es conveniente especificar algún plano cristalográfico de átomos particular o alguna dirección cristalográfica. Página 29
30 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Convencionalmente se ha establecido que para designar las direcciones y planos se utilizan tres enteros o índices. Los valores de los índices se determinan basándose en un sistema de coordenadas cuyo origen está situado en un vértice de la celda unitaria y cuyos ejes ( ) coinciden con las aristas de la celda unitaria. En los sistemas cristalinos hexagonal, romboédrico, monoclínico y triclínico, los tres ejes no son perpendiculares entre sí, como ocurre en el familiar sistema de coordenadas cartesianas. Direcciones cristalográficas Una dirección cristalográfica se define por una línea entre dos puntos o por un vector. Se determina la longitud del vector proyección en cada uno de los tres ejes en función de las dimensiones de la celda unidad. Las tres componentes se representan entre corchetes y además estos números deben ser reducidos al valor entero menor multiplicándolos por un factor común conveniente. Las coordenadas negativas se representan con una línea sobre el índice. Por ejemplo [ ] [ ]. Algunas direcciones cristalográficas equivalentes de los cristales de simetría hexagonal no tienen el mismo conjunto de índices. Este problema se resuelve de forma más complicada utilizando el sistema de coordenadas de cuatro ejes, o Miller-Bravais. Los tres ejes están situados en un plano llamado plano basal, y forman entre sí. El otro eje, es perpendicular a dicho plano. Así pues los índices de una dirección se anotan mediante cuatro dígitos [ ]. Los tres primeros índices corresponden a las proyecciones a lo largo de los ejes del plano basal. Debemos tener en cuenta que las direcciones son vectores unitarios por lo que los signos opuestos no son equivalentes. Existen direcciones opuestas a lo largo de la misma línea. Además las direcciones no tienen magnitud, por lo que una dirección y sus múltiplos son equivalentes, siempre que no cambien los signos. Planos cristalográficos La orientación de los planos cristalográficos de la estructura cristalina se representa de modo similar. También se utiliza un sistema de coordenadas de tres ejes y la celda unidad es fundamental. Los planos cristalográficos del sistema hexagonal se Página 30
31 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales especifican mediante tres índices de Miller ( ). Dos planos paralelos son equivalentes y tienen índices idénticos. El procedimiento utilizado para la determinación de los valores de los índices es el siguiente 1. Si el plano pasa por el origen, se traza otro plano paralelo con una adecuada traslación dentro de la celdilla unidad o se escoge un nuevo origen en el vértice de otra celda unitaria. 2. El plano cristalográfico o bien corta, o bien es paralelo a cada uno de los tres ejes. La longitud de los segmentos de los ejes se determina en función de los parámetros de red. 3. Se escriben los números recíprocos de estos valores. 4. Estos tres números se multiplican o dividen por un factor común. 5. Finalmente se escriben juntos los índices enteros dentro de un paréntesis ( ) Al igual que en las direcciones, las coordenadas negativas se representan mediante una barra sobre el índice. Los índices de Miller y sus negativos son idénticos pero no sus múltiplos. Además, cambiando el signo de todos los índices se obtiene un plano paralelos opuesto a una distancia equivalente. Una característica única e interesante de los cristales cúbicos es que los planos y las direcciones que tienen los mismos índices son perpendiculares entre sí. 2.5. Determinación de los cristales: Difracción de rayos X Muchos de los conocimientos actuales de la disposición atómica y molecular de los sólidos resultan de las investigaciones mediante difracción de rayos X; además, los rayos X tienen gran importancia en el desarrollo de nuevos materiales. A continuación se describe brevemente el fenómeno de la difracción de rayo X y se deducen las estructuras cristalinas y las distancias interplanares utilizando rayos X. Ocurre difracción cuando una onda encuentra una serie de obstáculos separados regularmente, que son capaces de dispersar la onda y están separados por distancias comparables en magnitud a la longitud de onda. Es importante la relación ente las Página 31
32 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales fases de ondas dispersadas, que depende de la longitud del camino. En función de la relación entre fases podemos decir que las ondas están en fases o no, en el primer caso se suman las amplitudes constructivamente y en caso contrario se anulan entre sí o interfieren destructivamente. Los rayos X son una forma de radiación electromagnética que tiene elevada energía y corta longitud de onda: del orden de los espacios interatómicos de los sólidos. Cuando un haz de rayos X incide en un material sólido, parte de este haz se dispersa en todas las direcciones a causa de los electrones asociados a los átomos o iones que encuentra en el trayecto. A continuación se examinan las condiciones necesarias para la difracción de rayos X por una disposición de átomos. Se puede demostrar que las interferencias constructivas ocurren sólo cuando se cumple la que denominamos ecuación de Bragg Orden de reflexión (generalmente se toma igual a 1) Longitud de onda de la radiación incidente Distancia interplanar (espaciado entre átomos de dos planos) Ángulo de incidencia Así, se obtiene una simple expresión que relaciona la longitud de onda de los rayos X y la distancia interatómica con el ángulo de incidencia es de naturaleza no constructiva y el campo del haz difractado es de muy baja intensidad. La magnitud de la distancia entre dos planos de átomos contiguos y paralelos es función de los índices de Miller ( ) así como de los parámetros de red. Por ejemplo, para estructuras cristalinas de simetría cúbica La técnica de difracción más común utiliza una muestra pulverizada o policristalina consistente en muchas partículas diminutas y orientadas al azar, que se exponen a una Página 32
33 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales radiación de rayo X monocromática. Como cada partícula de polvo es un cristal, teniendo en cuenta la gran cantidad de ellos libremente orientados se asegura que algunas partículas estén orientadas adecuadamente para que sus planos cristalográficos cumplan las condiciones para la difracción. El difractómetro es un aparato utilizado para determinar los ángulos en que ocurre difracción en las muestras pulverizadas. En la siguiente figura se esquematiza. La fuente de rayos X emite un haz contra la muestra, mientras el detector recoge la radiación difractada. La fuente y el detector rotan hasta que se abarca un amplio rango de ángulos de incidencia sobre la muestra. A partir de esta prueba se puede construir lo que se denomina un difractograma o espectro de rayos X. Intensidad 𝜃 Página 33
34 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales El análisis de los picos proporciona información sobre los planos cristalográficos y la estructura de la propia red. Podemos aplicar el análisis de estos picos para determinar la distancia interplanar a partir de la ecuación de Bragg. Existen unas combinaciones particulares de (llamadas condiciones de extinción o reglas de reflexión) para cada tipo de red (sistema cúbico) que producen la interferencia constructiva. Tipo de red BCC FCC Simple 2.6. Estructura policristalina Hasta ahora hemos tratado los materiales como si estuvieran constituidos únicamente por un único cristal (monocristal). La mayoría de los sólidos cristalinos son un conjunto de muchos cristales pequeños o granos. Este tipo de material se denomina policristalino. Estos materiales tienen una estructura de mosaico, como multitud de pequeñas regiones cristalinas llamadas granos o cristalitos, sin alineamiento formal entre ellos. Se puede determinar el tamaño cristalino a partir de la anchura de cada pico en el difractograma. Tomaremos un parámetro que representa la anchura del pico a media altura para determinar el espesor promedio del cristalito. Para el cálculo se utiliza la ecuación de Scherrer, donde el espesor del cristal queda definido como Donde es la longitud de ondea y es el ángulo de incidencia correspondiente al máximo del pico. Página 34
35 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales 2.7. Observación microscópica En microscopia normalmente se utilizan el microscopio óptico y el electrónico. Estos instrumentos contribuyen a la investigación de las características microestructurales de todo tipo de materiales. La mayoría de estas técnicas llevan acoplado un equipo fotográfico; la fotografía que recoge la imagen microscópica se denomina fotomicrografía. Microscopia óptica Con el microscopio óptico se utiliza la luz para estudiar la microestructura; sistemas ópticos y de iluminación son los principales elementos. En aquellos materiales que son opacos a la luz visible (todos los metales y muchos cerámicos y polímeros) sólo la superficie es susceptible de ser observada, y a la luz del microscopio se debe usar en reflexión. Las distintas regiones de la microestructura originan diferencias en la reflexión y éstas producen contrastes en la imagen. Queda limitada a una magnificación de unos aproximadamente, y puede examinar sólo la superficie de materiales opacos. Microscopía electrónica Algunos elementos son demasiado finos o pequeños para su observación mediante microscopia óptica. En estas circunstancias se utiliza el microscopio electrónico. La imagen de la estructura investigada se genera utilizando haces de electrones en lugar de radiación lumínica. Existe la microscopia electrónica de transmisión y de reflexión. o Microscopia electrónica de transmisión TEM La imagen está formada por un haz de electrones que atraviesa una probeta. Se observan detalles de la microestructura interna; los contrastes de la imagen se consiguen por diferencias del haz difractado y el dispersado por varios elementos de la microestructura o defecto. Se consiguen hasta un millón de aumentos y resulta ideal para examinar defectos superficiales. Por consiguiente es muy cara. Página 35
36 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales o Microscopia electrónica de barrido SEM Es una reciente innovación extremadamente útil. La superficie de la probeta se barre con un haz de electrones y el haz reflejado de electrones se recoge y se muestra con la misma velocidad de barrido en un tubo de rayos catódicos, es decir, utiliza el haz de electrones retrodispersados para crear una imagen con una resolución de hasta niveles submicrométricos. La superficie debe ser eléctricamente conductora. El examen microscópico constituye una herramienta extremadamente útil para el estudio y la caracterización de materiales. De este examen se puede determinar la fractura mecánica, se prevén propiedades mecánicas de las aleaciones, el correcto o anómalo tratamiento térmico y el diseño de aleaciones con nuevas combinaciones de propiedades. Como aspecto negativo tenemos que resulta muy cara. Microscopio óptico Microscopio electrónico de barrido Microscopio electrónico de transmisión Página 36
37 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales 3. Solidificación, defectos cristalinos y difusión en sólidos Hasta aquí se ha supuesto tácticamente que los materiales cristalinos presentan, en todas partes, un ordenamiento perfecto de sus átomos. Sin embargo, un tal sólido ideal no existe: todos tienen gran número de defectos e imperfecciones de índole variada. De hecho, muchas de las propiedades de los materiales son muy sensibles al desvío de la perfección cristalina. Esta influencia no siempre es negativa, sino que algunas características específicas se consiguen deliberadamente introduciendo cantidades controladas de defectos particulares. 3.1. Crecimiento cristalino En la fase llamada de nucleación se forman partículas muy pequeñas, casi microscópicas, o núcleos de una nueva fase, capaces de crecer. Existen dos tipos de nucleación Nucleación homogénea: Ocurre cuando un material puro se enfría lo suficiente como para formar núcleos estables. Nucleación heterogénea: Utiliza impurezas para proporcionar superficie para la formación de núcleos. Esta ocurre con mayor facilidad y rapidez que la homogénea. El crecimiento de los granos a partir de núcleos estables sigue la ecuación de Arrhenius Donde exponencial, es la velocidad de crecimiento del grano, es la energía de activación, es la constante pre- es la constante de los gases ideales y es la temperatura. Como mayor sea la velocidad de nucleación, menor será el tamaño de grano y por tanto mejores propiedades mecánicas tendrá el material. 3.2. Defectos en los cristales Un defecto cristalino es una irregularidad de red en la cual una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico. La clasificación de las Página 37
38 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales imperfecciones cristalinas se realiza frecuentemente según la geometría o las dimensiones del defecto, así pues tenemos Defectos puntuales: Son defectos que ocurren en posiciones concretas de la red. o Vacantes Es el más simple de los defectos puntuales, lugar normalmente ocupado por un átomo ahora ausente. Las vacantes se producen durante la solidificación y también como consecuencia de las vibraciones, que desplazan los átomos de sus posiciones reticulares normales. En equilibrio, el número de vacante de una cantidad determinada material depende de la temperatura En esta expresión, es el número total de lugares ocupados por átomo, es la energía de activación (energía vibracional requerida para la formación de una vacante), es la temperatura absoluta y la constante de los gases ideales. o Sustitucionales En este defecto se sustituye un átomo de la estructura cristalina por otro. Se debe tomar en cuenta que el radio del átomo no debe ser diferente de un ya sea en mayor o menor proporción ya que podrían ocurrir perturbaciones en el material, además ambos materiales deben tener el mismo tipo de red, unos valores de electronegatividad parecidos para evitar la reacción entre ellos así como unas valencias parecidas. Un átomo de mayor radio hará que los átomos vecinos sufran una compresión, y un átomo sustituido de menor radio hará que los átomos vecinos sufran una tensión. Los efectos consisten en el empeoramiento o mejoramiento de algunas propiedades. La introducción deliberada de defectos Sustitucionales se denomina dopaje, y es particularmente importante en los materiales para electrónica (semiconductores). Página 38
39 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales o Intersticiales El defecto intersticial es cuando un átomo extra se introduce en un lugar de la estructura cristalina donde no se encuentra normalmente. El radio de los átomos huéspedes debe ser lo suficientemente pequeño como para alojarse en los espacios intersticiales (huecos). Este tipo de defecto distorsiona la regularidad de la red, pues obliga a los otros átomos a desplazarse ligeramente. Para este tipo de defecto hay un caso especial en las cerámicas iónicas. Así pues tenemos dos situaciones diferenciadas. i. Defecto de Schottky: Presencia de un catión y un anión vacantes en la red. ii. Defecto de Frenkel: Difusión de un catión hacia un espacio intersticial de la red. Debido al tamaño, no se encontrará jamás un anión intersticial. Dislocaciones Una dislocación es un defecto lineal o unidimensional en torno a algunos átomos desalineados, resultan de la adición de un plano parcial adicional a la red cristalina. Hay tres tipos de dislocaciones. o De cuña o borde Da lugar cuando una porción extra de un plano de átomos, o semiplano, cuya arista termina dentro del cristal. Es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del semiplano de átomos extra. Página 39
40 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Los átomos de la red en contacto directo con el semiplano que define la dislocación resultan comprimidos mientras que los situados justo tras la línea de la dislocación resultan más separados de lo normal. Es decir, los átomos situados arriba de la dislocación están comprimidos, mientras que los de abajo están sometidos a tracción; esto se refleja en la ligera curvatura de los planos verticales de átomos, que se doblan alrededor del semiplano extra. La magnitud de esta dislocación decrece con la distancia a la dislocación de cuña; en las posiciones más alejadas, la red cristalina es virtualmente perfecta. o Helicoidales Se forman al aplicar un esfuerzo cizallante. Como se muestra en la figura, la parte superior de la región frontal del cristal desliza una unidad atómica a la derecha respecto a la parte inferior. La distorsión atómica asociad es también lineal y situada a lo largo de la línea de la dislocación. Suelen causar la debilitación de la red. o Mixtas La mayoría de las dislocaciones que existen en materiales cristalinos no son propiamente ni de cuña ni helicoidales, sino que presentan componentes de ambos tipos. Así pues, resultan cuando una red contiene tanto dislocaciones de cuña como de tornillo, estando separadas por una región de transición entre ambas. Página 40
41 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Las dislocaciones son principalmente debidas a tres sucesos - Nucleación homogénea Si se rompen enlaces en la red se favorece la deformación por cizalla, dando lugar a dos planos de dislocación enfrentados. Rara vez es espontánea, y requiere altas tensiones para que se rompan los enlaces de red - Fronteras de grano Los escalones y salientes presentes entre granos adyacentes se propagan durante las primeras etapas de la deformación - Interacciones red-superficie Los escalones localizados sobre la superficie del cristal actúan como concentradores de tensión La deformación plástica corresponde al movimiento de un gran número de dislocaciones. Una dislocación de cuña se mueve en respuesta a una cizalladura aplicada en una dirección perpendicular a la línea de la dislocación como se puede ver en la siguiente figura. Cuando la cizalladura es aplicada de la manera indicada, el plano A es forzado hacia la derecha, éste a su vez empuja la parte superior de los planos B,C,D y así sucesivamente en la misma dirección. Si la cizalladura aplicada es suficientemente elevada, los enlaces interatómicos del plano B se rompen a lo largo del plano de cizalladura, y la parte Página 41
42 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales superior del plano B se convierte en el semiplano adicional de átomos y el plano A se une con la mitad inferior del plano B. Este proceso se repite para los otros planos, de tal manera que el semiplano adicional se mueve de derecha a izquierda en pasos discretos mediante la sucesiva y repetida rotura de los enlaces y desplazamientos de magnitud igual a distancias interatómicas de la mitad de los planos superiores. Antes y después del movimiento de una dislocación a través de alguna determinada región del cristal, la distribución de los átomos es ordenada y perfecta; la estructura de la red es distorsionada únicamente durante el paso del semiplano adicional de los átomos. Finalmente éste puede emerger en la superficie de la derecha del cristal, formando un escalón de magnitud igual a una distancia interatómica. El proceso mediante el cual se produce la deformación plástica por el movimiento de dislocaciones se denomina deslizamiento. Estas deformaciones son debidas a tensiones aplicadas, fuerzas de cizalla que rompen los enlaces entre átomos adyacentes en un plano. La deformación plástica macroscópica corresponde simplemente a la deformación permanente que resulta del movimiento de dislocaciones, o sea deslizamiento, en respuesta a una tensión de cizalladura aplicada. Existen varios factores que afectan a la probabilidad del deslizamiento - El deslizamiento se produce más fácilmente cuando los átomos están muy juntos. La tensión necesaria para inducir deslizamiento aumenta exponencialmente con la distancia interplanar. Página 42
43 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales - El deslizamiento requiere de la ruptura de los enlaces. Por ello, los materiales con fuertes enlaces covalentes son resistentes. - Los materiales con enlaces iónicos son resistentes a causa de sus elevadas distancias interplanares, así como por la repulsión causada por la aproximación de iones del mismo signo. Sistemas de deslizamiento Las dislocaciones no se mueven con el mismo grado de facilidad sobre todos los planos cristalográficos de átomos y en todas las direcciones cristalográficas. Normalmente existe un plano preferido, y en éste existen direcciones específicas a lo largo de las cuales ocurre el movimiento de las dislocaciones. Este plano se denomina plano de deslizamiento; por consiguiente, la dirección del movimiento se denomina dirección de deslizamiento. Esta combinación de plano y dirección de deslizamiento se denomina sistema de deslizamiento. Dicho sistema depende de la estructura cristalina de los metales y es tal que la distorsión atómica que acompaña al movimiento de una dislocación es mínima. Para una determinada estructura cristalina, el plano de deslizamiento es el plano que tiene la distribución más densa de átomos, es decir, tiene la mayor densidad planar de átomos. La dirección de deslizamiento corresponde a la dirección, en este plano, que es más compacta, es decir, que tiene la mayor densidad lineal. Como hemos explicado, el plano de deslizamiento es el plano que tiene la distribución más densa de átomos. Así pues cada red cristalina presenta diferentes sistemas de deslizamiento resumidos en la siguiente tabla Red Cristalina BCC FCC HCP Plano de deslizamiento ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Dirección de deslizamiento [ ] [ ] [ ] Página 43
44 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales El estudio del deslizamiento se simplifica si el proceso se trata primero en monocristales. Tal como se mencionó previamente, las dislocaciones de cuña, helicoidales y mixtas se mueven en respuesta a la cizalladura aplicada a lo largo de un plano de deslizamiento y en una dirección de deslizamiento. Aun cuando el esfuerzo aplicado sea una tracción (o compresión) pura, existen componentes de cizalladura con excepción de las direcciones paralelas o perpendiculares a la dirección de la tensión. Estas se denominan tensiones de cizalladura resueltas, y sus magnitudes dependen no solo de la tensión aplicada, sino también de la orientación del plano y de la dirección de deslizamiento en este plano. Sea el ángulo entre la normal al plano de deslizamiento y la dirección de la fuerza aplicada, y sea eñ ángulo entre la dirección de deslizamiento y la dirección de la tensión aplicada, tal como se muestra en la figura, entonces la mínima tensión requerida para que ocurra deslizamiento en cualquier sistema de deslizamiento, viene definida por la ley de Schmid como Donde es la tensión externa aplicada. Si la tensión aplicada excede ese valor, ocurrirá el deslizamiento de más sistemas además del primario. 3.3. Vector de Burgers Página 44
45 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales La magnitud y la dirección de la distorsión reticular asociada a una dislocación se expresa en función del vector de Burgers, designado por. La naturaleza de una dislocación se define por las orientaciones relativas de la línea de dislocación y por el vector de Burgers. En una dislocación de cuña, son perpendiculares mientras que para una dislocación helicoidal son paralelos de manera que en las dislocaciones mixtas no son ni paralelos ni perpendiculares. Así pues por definición resulta En los materiales metálicos, el vector de Burgers de una dislocación estará dirigido en la dirección cristalográfica de empaquetamiento y la magnitud será igual a la distancia interplanar o espaciado interatómico. El circuito de Burgers es un camino cerrado que va de átomo a átomo rodeando e incluyendo la línea de la dislocación. Para construir este circuito se van trazando saltos de átomo a átomo de tal manera que en cada dirección haya tantos saltos atómicos como en la dirección opuesta. Si el circuito no cierra ninguna dislocación, el punto final e inicial coinciden. Si no lo hacen es porque estamos encerrando una dislocación. El vector es lo que falta para cerrar el circuito. Sobre los cristales perfectos el circuito de Burgers cierra por sí mismo, mientras que en aquellos con una dislocación es necesario introducir el vector de Burgers para cerrarlos. Página 45
46 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales 3.4. Endurecimiento por reducción del tamaño de grano Límite de grano El tamaño, o el diámetro medio, de los granos de un metal policristalino afecta a las propiedades mecánicas. En general, granos contiguos tienen diferentes orientaciones cristalográficas y un límite de grano común. Durante la deformación plástica, el deslizamiento o el movimiento de las dislocaciones debe ocurrir a través de este límite de grano común, digamos desde el grano A al grano B de la figura. El límite de grano actúa como una barrera al movimiento de las dislocaciones por dos razones. Puesto que los dos granos tienen orientaciones distintas, una dislocación que pasara al grano B tendría que cambiar la dirección de su movimiento; esto se hace más difícil a medida que aumenta la diferencia en orientación. El desorden atómico dentro del límite de grano producirá una discontinuidad de los planos de deslizamiento de un grano a otro. Debe mencionarse que, para límites de grano de ángulo grande, puede ocurrir que las dislocaciones no atraviesen los límites de grano durante la deformación; más bien lo que ocurre es que se forma una concentración de tensiones en un plano de deslizamiento en un grano, lo cual puede activar fuentes de nuevas dislocaciones en las regiones cercanas al límite de un grano contiguo. Página 46
47 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Un material con grano fino (es decir, uno que tiene granos pequeños) es más duro y resistente que uno que tiene granos gruesos, puesto que el primero tiene un área total de límite de grano mayor para impedir el movimiento de las dislocaciones. Propiedades elásticas relacionadas con el tamaño de grano En muchos materiales, la fluencia o límite elástico (yield strength) varía con el tamaño del grano según la ecuación de Hall-Petch En esta expresión, es el valor del diámetro medio del grano, y que dependen del material. El límite elástico y son constantes es el esfuerzo máximo a partir del cual el material deja de comportarse elásticamente para sufrir deformaciones plásticas, permanentes una vez deje de ser efectivo el esfuerzo. Así pues, si representamos el esfuerzo en función del alargamiento obtenemos uuna curva de la forma Aquellos materiales que tenga el grano más fino será más resistente y mantendrá su curva representativa por encima ( más alto ya que disminuye) de otro material con el grano más grande. Página 47
48 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Existe otra propiedad elástica que estudia el comportamiento del material cuando se le somete a tracción. El denominado coeficiente de Poisson que se define como el cociente entre las deformaciones laterales y axiales, es decir Se suele incluir en la fórmula un signo negativo para que el coeficiente de Poisson sea siempre positivo ya que los alargamientos lateral y axial son prácticamente siempre de signos opuestos. Tamaño de grano Al considerar las propiedades de un material policristalino generalmente se determina el tamaño de grano. En este sentido existen técnicas que especifican el tamaño de grano en función del promedio del volumen de grano, del diámetro o del área. El método más utilizado es el desarrollado por la American Society for Testing and Materials (ASTM). ASTM tiene preparadas 10 cartas normalizadas, con granos de diferente tamaño medio de grano. Se ha asignado un índice a cada una de estas cartas, del 1 al 10, denominado índice de tamaño de grano; el mayo índice tiene el menor tamaño de grano. Las probetas se deben preparar cuidadosamente para revelar la estructura granular, que se fotografía a 100 aumentos. El tamaño de grano de la carta más parecida a la fotomicrografiada. Así, una relativamente sencilla y cómoda determinación visual bata para asignar el tamaño de grano. El índice del tamaño de grano se utiliza profusamente en siderurgia. La asignación del índice del tamaño de grano mediante las diferentes cartas se realiza como sigue. El índice del tamaño de grano se designa por granos por pulgada cuadrada a 100 aumentos por y el número medio de. Ambos parámetros están relacionados por la siguiente expresión Trepamiento de dislocaciones Página 48
49 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Las dislocaciones se mueven perpendicularmente a la dirección de deslizamiento cuando un átomo completa una posición vacante que se encuentra con la dislocación. El salto o trepamiento positivo resulta en una contracción del cristal en la dirección perpendicular al plano parcial de átomos. Se favorece por tensiones compresivas. El trepamiento negativo se favorece por tensiones de tracción y supone una expansión del cristal. 3.5. Monocristales y nanocristales Los monocristales son materiales cuya entera estructura es un único grano cristalino. Son muy caros y susceptibles a la propagación de defectos (dislocaciones) ya que no tienen fronteras de grano que la frene. Buenas propiedades ópticas y eléctricas. Los nanocristales son mayores que la mayoría de moléculas, pero menores que los cristales típicos de los sólidos cristalinos. Son menos susceptibles a los defectos. Sus propiedades se regulan controlando su tamaño. Tienen aplicaciones en óptica, electrónica y catálisis. 3.6. Difusión Introducción La formación de cristales durante la solidificación conlleva el tiempo necesario para que los átomos se ordenen según diferentes estructuras cristalinas. La difusión, desde el punto de vista macroscópico, se interpreta como los cambio de concentración que ocurren con el tiempo según el gradiente de concentración, es decir, existe un transporte de átomos desde las regiones de elevada concentración a las de baja Página 49
50 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales concentración. La difusión en los sólidos sucede de la misma manera que en los líquidos o en los gases, pero a mucha menor velocidad. Mecanismos de difusión A nivel atómico, la difusión consiste en la emigración de los átomos de un sitio de la red a otro sitio. En los materiales sólidos, los átomos están en continuo movimiento, cambian rápidamente de posición. La movilidad atómica exige dos condiciones, en primer lugar que hay un lugar vecino vacío y en segundo lugar que el átomo debe tener suficiente energía como para romper los enlaces con los átomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento. Esta energía es de origen vibratoria y por tanto está muy ligada a la temperatura. Podemos distinguir dos tipos de difusión Difusión por vacantes En la figura se ha esquematizado un mecanismo de difusión que implique el cambio de un átomo desde una posición reticular normal a una vacante o lugar reticular vecino vacío. Este mecanismo recibe el nombre de difusión por vacantes. Por descontado que este proceso necesita la presencia de vacantes, y las posibilidades de la difusión de las vacantes es función del número de estos defectos que existan. A elevada temperatura el número de vacantes de un metal es significativo. Puesto que en el movimiento difusivo los átomos y las vacantes intercambian posiciones, el movimiento de los átomos en la difusión va en sentido opuesto al de las vacantes. Página 50
51 Grado en Ingeniería en Tecnologías Aeroespaciales Difusión intersticial El segundo tipo de difusión implica a átomos que van desde una posición intersticial a otra vecina desocupada. El mecanismo tiene lugar por interdifusión de solutos como hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno, que tienen átomos pequeños, idóneos para ocupar posiciones intersticiales. Los átomos de soluto sustitucionales raramente ocupan posiciones intersticiales y no difunden por este mecanismo. Este fenómeno se denomina difusión intersticial. En la mayoría de las aleaciones, la difusión intersticial ocurre más rápidamente que la difusión por vacantes, ya que los átomos intersticiales son más pequeños que las vacantes y tienen mayor movilidad. Teniendo en cuenta que hay más posiciones intersticiales vacías que vacantes, la probabilidad del movimiento atómico intersticial es mayor que la difusión por vacantes. Primera ley de Fick de la difusión La expresión de difusión en estado estacionario en una dirección es relativamente. El flujo es proporciona al gradiente de concentración y viene dada por la ley de Fick de la difusión Donde es el flujo neto de átomos por unidad de área y/o tiempo de material que se desplaza en la dirección debido a un gradiente de concentración, concentración y el parámetro representa la es la efusividad, que representa la facilidad de un átomo de material A para difundir a través del material B expresada en. El signo Página 51