CIDEAD. 2º BACHILERATO. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 3.-...

CIDEAD. 2º BACHILERATO. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL IITema 3.- La modificación de las propiedades de los metales.

Desarrollo del tema.

1. La estructura de la materia.

2. Características generales de los metales.

3. Estructura interna de los metales. Redes cristalinas. Espectros de rayos X.

4. Defectos en la estructura cristalina.

5. Disoluciones sólidas.

6. Mecanismo de endurecimiento de los metales.

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1. La estructura de la materia.

Como es sabido, la materia no es continua, sino que se encuentra formada por una serie departículas elementales que gracias a las fuerzas de atracción entre ellas, la mantiene estable.

Las propiedades y el comportamiento de los materiales, dependen, por lo tanto, de suestructura y constitución. Para poder interpretar y utilizar técnicamente éstas, es necesario conocerla disposición geométrica de los átomos y los enlaces o fuerzas que mantienen unidos a los átomosentre si.

La estructura atómica es bien conocida: una capa cortical prácticamente vacía, donde orbitanlos electrones en situaciones de probabilidad y un núcleo central con una dimensión 10000 vecesmás pequeño que la del átomo donde se encuentra prácticamente toda la masa y está formado poruna gran cantidad de partículas elementales (protones, neutrones, mesones, hiperones, bosones,neutrinos, etc).

Las fuerzas y energías que interaccionan para estabilizar la materia con el fin de produciragregación atómica son de dos tipos:

a. Atractivas , debidas a los enlaces y a las fuerzas electrostáticas atractivas.b. Repulsivas, debido a las fuerzas electrostáticas entre los núcleos y las nubes electrónicas.

De esa interrelación de fuerzas surge el equilibrio interatómico que aparece en el mínimo dela energía potencial resultante :

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2. Características generales de los metales.

Los diferentes materiales que son utilizados en tecnología, poseen los enlaces (bonds) queaparece en el siguiente esquema:

Los metales, se encuentran perfectamente localizados en el Sistema Periódico. Sonsustancias simples que se caracterizan por:

a. Elevada conductividad térmica y eléctrica.b. Una gran resistencia mecánica.c. Presentan gran plasticidad, ductilidad y tenacidad. Se pueden deformar antes de romperse.d. Elevada maleabilidad, pudiendo conseguir planchas de espesor muy pequeño.e. Poseen posibilidad de reciclado, pudiéndose refundir y volver a ser utilizado.

Para explicar todas estas propiedades, se debe de recurrir a la característica del enlace

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Secundary bond are the Van der Waals bond and Hydrogen bridge bond.

or Germanium (Ge)


metálico.

3. Estructura interna de los metales. Redes cristalinas. Espectrosde rayos X.

Los metales poseen un enlace entre sus átomo, muy especial que recibe el nombre de enlacemetálico.

El enlace metálico se produce entre átomos de parecida electronegatividad y con unpotencial de ionización bajo. Entre los iones resultantes existen una serie de fuerzas electrostáticasrepulsivas que se mitigan gracias a las nubes electrónicas que pertenecen al conjunto. El electrónlibre, no pertenece a un átomo en particular, sino al conjunto de la estructura.

Debido a esta estructura, sus átomos se encuentran muy próximos entre si, con estructurasfuertemente empaquetadas (alta densidad) y ordenadas formando estructuras cristalinas. Cuando losátomos no se encuentran ordenados, se dice que se encuentran en estado amorfo.

La estructura cristalina se puede representar considerando que los átomos se sitúan en lospuntos de intersección de las tres familias de planos paralelos y equidistantes que forman una redpuntual tridimensional. La red puntual posee la propiedad de que todos los puntos poseen la mismavecindad, la disposición espacial de los demás puntos respecto a uno, es siempre la misma. Sepuede construir una red puntual a partir de una estructura básica y repetitiva, que recibe el nombrede celdilla elemental.

Si consideramos el modelo de las esferas duras, formando la red puntual, los átomos seensamblan periódicamente en todas las direcciones , consiguiendo el máximo empaquetamiento ymanteniendo una distancia igual entre ellos de d0/2. La interacción de las esferas se verifica graciasa la confluencia de fuerzas atractivas y repulsivas.

En el siguiente esquema se aprecia una red puntual con una estructura cúbica .

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Una celda se define mediante tresvectores o ejes cristalográficos : a, b, c , ytres ángulos de orientación : α, β, γ .

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Los estudios cristalinos han demostrado que solamente se precisan siete formas dedisposición diferentes para crear todas las redes. Las redes así formadas fueron descubiertas por elfísico y mineralogista August Brevais, que representan los siguientes siete sistemas:

Las celdas que constituyen los siete sistemas cristalográficos, se denominan celdasprimitivas. Las celdas más complejas se denominan celdas no primitivas y pueden ser:a. Sencillas. Los átomos únicamente ocupan los vértices de la celda unidad.b. Centradas en el cuerpo(BCC) . Cuando un átomo se sitúa en el centro de la celdilla.

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c. Centradas en las caras (FCC) . Cuando existen átomos situados en el centro de las caras de lacelda unidad.d. Centradas en la base. Cuando se sitúan los átomos en el centro de dos caras opuestas de la celdaunidad.

La mayor parte de los metales (90%) cristalizan en los sistemas Cúbica centrada en elcuerpo, cúbica centrada en las caras y la hexagonal compacta.

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HD.- Hexagonal compacta (HCP)

CC.- Cúbica centrada en el cuerpo(BCC)

CCC.- Cúbica centrada en las caras (FCC)


El número de átomos que forman la celda unidad será : N = Ni + Nc2

+ Nv8

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a

d

Estudio geométrico

Número de átomos por celda = 1 + 0 + 1 = 2

d = a . √ 3

a = 4 R /√ 3

FEA = Volumen total de átomos/volumen celda

FEA = 0.68

F.E.A. .- Factor de empaquetamiento atómico


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Datos geométricos.

N de átomos por celda = 0 + (6/2)+ (8/8) = 4

a (arista de la celda) = 4 R / √2

F.E.A = 4 . Volumen de un átomo/Volumen de la celda

F.E.A = π . √2 / 6 = 0.74

a


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a

Datos numéricos:

N (número de átomos por celda) = 3 + (2/2) + (12/6) = 6

a = 2 R V = 6 . V(átomo) = 8 π R^3

V (celda) = Área Base . Altura del prisma

Área de Base = (½) a . apotema

Altura prisma = 2 altura del tetraedro interior

F.E.A. = π / 3 . √2 = 0.74

tetraedro

h


Los intersticios cristalinos son los huecos que aparecen en las redes cristalinas. Losintersticios o huecos pueden ser:

Octaédricos. Si el hueco está rodeado por 6 átomos.Tetraédricos . Si el hueco está rodeado solamente por cuatro átomos.

La red FCC y HC, posee los huecos octaédricos. Se sitúan en el centro del cubo y en elcentro de cada una de sus aristas. Se debe cumplir que : 2 R + 2 R i = a

a = 4 . R

2 ;

RiR

= 2 - 1 = 0.414

Los huecos tetraédricos en la FCC, ocupan los ocho centros de los ocho cubos en elque se puede dividir la celda unidad. Existirán ocho huecos de este tipo en cada celda unidad, dospor cada átomo metálico. Cada hueco ocupa el centro de un tetraedro , cuyos centros coinciden conlos vértices del tetraedro.

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R + R i = 3.a4

RiR

= 3 2

- 1 = 0.225

Red BCC.- Existen huecos octaédricos y tetraédricos. Los huecos octaédricos ocupan los centros de las caras del cubo y los centros de sus aristas .

En cada celda unidad existirán seis huecos ( 6 en los centros de las caras compartidos entre lasceldas y 12 en los centros de las aristas compartidos por cuatro celdas) . Por lo tanto, tres huecospor cada átomo presente.

Cada hueco octaédrico en la red BCC está rodeado por dos átomos a una distancia a/2 y por

otros cuatro átomos a distancia 2 .a2

La dimensión del hueco queda definido por el menor espacio libre entre los átomos, cumple:

2 R + 2 R i = a

a = 4. R

3RiR

= 2

3 - 1 = 0.155

Aunque en la estructura BCC, su FEA es menor que en las otras dos estructuras, lasdimensiones de sus huecos octaédricos es menor

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Los huecos tetraédricos en la red BCC, no son simétricos tampoco. Si tenemos en cuentauno de estos huecos, los dos átomos más cercanos a él se encuentran situados en los vértices delcubo a una distancia igual a :

d2 = a2

2

+ a4

2

; d = 5 .a4

como el radio R i de la esfera mayor que

se puede insertar en el hueco tetraédrico, se determina mediante d = R + R i y a = 4 . R

3, se

obtiene como resultado: RiR

= 5 3

- 1 = 0.291

Existen muchos elementos químicos que pueden presentarse en varias formas cristalinas,según las condiciones de presión y temperatura. Este fenómeno recibe el nombre de alotropía (en elcaso de darse este fenómeno en compuestos químicos la denominación es polimorfismo).

Metales como el Fe, Ti, Co, etc de gran importancia industrial, experimentantransformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas a presión atmosférica. El hierro sólido sepresenta bajo las estructuras BCC y FCC.

El hierro α (ferrita) , existe desde -273º C hasta 910º C y es de estructura cristalina BCC. Elhierro γ, de estructura FCC, aparece desde 910º C hasta 1394º C y por último el Fe δ, de estructuraBCC, existe desde 1394ºC hasta el punto de fusión (1538ºC).

Para determinar la estructura cristalina de los metales, se recurre a los espectros dedifracción de rayos X, ya que su longitud de onda (aproximadamente a los Angstrom) posee una

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dimensión próxima a la separación de los átomos en una red cristalina, y por lo tanto es posibledifractarlos.

Los rayos X no poseen carga y es una radiación electromagnética con una alta frecuenciacon alto poder de penetración. Cuando los haces de radiación difractados se encuentran en fase, lainterferencia será constructiva. Esto se producirá cuando los haces difractados por las sucesivascapas estén distanciados en un múltiplo entero de su longitud de onda:

n λ = 2 . d . sen θ , siendo n = 1 , 2 , 3 , 4 ...

Es la ley de reflexión de Bragg.

4. Defectos en la estructura cristalina.

Las redes cristalinas, en realidad no son perfectas sino que poseen una serie de defectos quepueden ser:

Defectos generalizados.

Defectos térmicos.- Los átomos al ser calentados, sufren movimientos de vibración, siendosu amplitud mayor cuanto mayor es la temperatura, produciéndose una dilatación térmica.Defectos electrónicos. Al añadir átomos de estructura electrónica diferente, se produce unaalteración en la nube electrónica. Este efecto lo realizan fundamentalmente los materialessemiconductores, base de la electrónica, añadiendo impurezas n(se añaden elementos devalencia mayor como el P, As, etc) o p ( se añaden elementos de valencia menor como es elB ).Defectos atómicos.- Son los más importantes metalúrgicamente, puesto que se producenalteraciones en la ordenación espacial de la estructura cristalina. Los defectos pueden serpuntuales, lineales o superficiales.

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Defectos atómicos puntuales.- La dimensión es la de un espacio interatómico. Los defectosmás importantes son los siguientes:

Átomos intersticiales. Son átomos situados en un punto que no pertenece a la red. En loshuecos o intersticios se colocarán estos átomos intersticiales.Lugares vacantes o lagunas.- Son puntos de red vacíos en donde no se encuentran átomosalgunos.Átomos extraños.- Son átomos diferentes a los que forman la red cristalina que se sitúan enpuntos reticulares como en huecos. Este fenómeno se da espontáneamente, teniendo másestabilidad que una red perfectamente ordenada.

Al aumentar la temperatura de un sólido, la agitación térmica aumenta y la concentración delos átomos intersticiales y lacunares aumentan..

La difusión se entiende como el movimiento de los átomos a través de una estructuracristalina , regulando una gran cantidad de procesos metalúrgicos. Mediante una agitación térmica,los átomos pueden desplazarse desde una posición de equilibrio a otras posiciones. La velocidad dedifusión viene determinada por el gradiente de concentración.

La difusión, por lo tanto, se ve favorecida por la agitación térmica y la presencia de lugaresvacantes.

Los defectos atómicos lineales.- El defectolineal es mucho mayor que la anchura. Losdefectos más importantes son las dislocacionesque provocan distorsiones en la red cristalina.Las dislocaciones pueden ser:En cuña. Que se puede considerar como unsemiplano extra en la red cristalina.En hélice. En la que los planos perpendicularesal defecto lineal se enrollan a su alrededor.

La energía de una red con dislocaciones es mayor quesi no las tuvieran. Su existencia pueden ser portensiones de origen térmico, deformaciones en frío oexistencias de átomos extraños a la red. Los defectoslineales forman una estructura lineal tridimensional.Las presencia de dislocaciones disminuye su resistenciamecánica. La presencia de las dislocaciones son lascausantes de la deformación plástica en las aleacionesmetálicas utilizándose como característica estructuralinteresante en virtud de los procesos de laminación yforja.

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Defectos atómicos superficiales.- Poseen unaprofundidad pequeña mientras que su anchura ylongitud pueden ser mayores. Los efectos másimportantes son los defectos de apilamiento ylos límites de grano.La secuencia de redes cristalinasABCABCABC... puede que se produzca undefecto de apilamiento y la secuencia sea deABCBCABC... La estructura cristalina estridimensional ordenada pero la estructura de lamayor parte de los metales están constituidospor múltiples zonas ordenadas pero sin que lasdirecciones de sus ejes cristalográficos coincidan. Estas zonas se denominan cristales o granos yla zona límite se denomina junta de grano.Termodinámicamente no se explica la forma degranos puesto que su energía es mayor que la redcristalina perfecta. Cuando un metal fundido seenfría, sus átomos se van ordenando en elespacio, comenzando a cristalizar,produciéndose este efecto simultáneamente envarios puntos dentro del volumen del material,concluida la cristalización aparecen los granos ozonas desordenadas.La microestructura de los metales y lasaleaciones metálicas, dependen de los siguientesfactores: el tamaño del grano, la forma del granoy la orientación del grano.

Los metales policristalinos el tamaño del granoes de suma importancia ya que las juntas degrano consiguen un efecto endurecedor alrestringir el movimiento de las dislocaciones. Laforma de los granos no predomina ningunadimensión que predomine sobre los demás, Si elmetal se ha deformado en frío, los granospueden adoptar formas alargadas.La orientación de los granos es por lo generalaleatoria originándose así los materialesisótropos (mismas propiedades en todas lasdirecciones) . En ocasiones debido a la

deformación plástica (laminación, estirado, estricción,etc) se produce una orientación preferente enlos granos que da lugar en algunos casos en un material anisótropo utilizados en la fabricación denúcleos magnéticos en las bobinas y transformadores eléctricos.

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5. Disoluciones sólidas.

En la mayoría de las ocasiones, técnicamente, no se utilizan los metales puros, ya que estosse mezclan con otros elementos para dotarles de unas propiedades características, como son elaumentarle la dureza, la tenacidad, la resistencia a la corrosión etc.

Estas mezclas homogéneas sólidas (disoluciones) reciben el nombre de aleaciones que sedefinen como la mezcla de dos o más elementos diferentes, en donde uno de ellos es un metal.

Una aleación debe de cumplir las siguientes características:

Los elementos mezclados deben ser totalmente miscibles en estado líquido para que alsolidificarles resulte un producto homogéneo.El producto obtenido debe de tener propiedades metálicas, con la misma estructura interna.

La expresión de las concentraciones se suele expresar en % en masa aunque se pueda utilizarconcentraciones volumétricas o atómicas. Otra forma de expresar la concentración en trazas será:ppm (partes por millón) = mg/Kg o ppb (partes por billón) = μg/Kg.

Aleaciones muy importantes para el uso industrial son : el latón (70% Cu – 30% Zn) , elacero (92% Fe – 2% C) o el bronce (Cu-Sn, cuya proporción en Sn varía del 2% al 40%).

El elemento que se encuentra en menor proporción, recibe el nombre de soluto, y el demayor proporción es el disolvente. Estas disoluciones sólidas pueden ser:

a. De sustitución.- Cuando átomos del disolovente de la red cristalina, se encuentransustituidos por otros átomos diferentes que forman el soluto.

b. De inserción.- Cuando los espacios interatómicos de la red cristalina, se encuentraninvadidos por otros átomos diferente, normalmente de un no metal.

Las soluciones sólidas de sustitución, deben de cumplir las siguientes características:

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Deben de cristalizar todos los metales que forman la aleación, en el mismo sistema. En otroscasos, solamente la aleación se realizará hasta determinada proporción que se denominanlímite de saturación.Todos los metales que forman la aleación deben de tener la misma valencia.Los metales que forman parte de la aleación deben de tener semejante electronegatividad.Los diámetros atómicos no deben diferir más del 15 %

Las soluciones de inserción tiene lugar cuando se insertan los átomos del soluto en losintersticios de la red cristalina del disolvente. Ocurre cuando la diferencia de tamaño entre el solutoy el disolvente es muy grande ( Fe y C) .

Los metales que actúan como disolvente suelen ser el Fe, Co y el Ni.Los elementos que actúan como soluto suelen ser el C , N , O y el H.

Una red intersticial lo forma el C-Fe . El Fe γ (FCC) posee un R A = 0.129 nm. Y el C tieneun RA = 0.075 nm. ; como máximo se puede disolver un 2.08% de C en Fe a 1148ºC . . El hueco dela FCC es mucho menor que el radio del C . En los puntos de intersección la red se encontrarádistorsionada.

6. Mecanismo de endurecimiento de los metales.

Para satisfacer la demanda de materiales cada vez más resistentes y duros, es necesariosometer a las aleaciones o a los metales a una serie de procedimientos tecnológicos que permitan unmenor desplazamiento de las dislocaciones cuando se someten a fuerzas externas. Para elendurecimiento de las aleaciones se recurren a los siguientes mecanismos:

a. Endurecimiento por deformación en frío, es decir, a temperatura ambiente.- Ladeformación plástica supone un endurecimiento del material por el incremento de la

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densidad de las dislocaciones, disminuyendo su movimiento. Este estado se denomina agrioo con acritud que se caracteriza por alta resistencia mecánica, baja ductilidad y altamentefrágil. Para evitar esto, se somete al metal a un calentamiento posterior que se denominarecocido.b. Endurecimiento por afino de grano.- Las juntas de grano actúan como fronterasimpidiendo el movimiento de las dislocaciones , disminuyendo su recorrido. En unaaleación, cuanto menor sea el tamaño del grano, mayor será el tamaño de las juntas de granoque se opondrán al movimiento de las dislocaciones y mayor será la resistencia del material.Existe una relación experimental entre el límite elástico de un material y el tamaño de susgranos:

σ E = σo + K

d Siendo σo y K la constante del material y de la

temperatura. Cuanto menor sea el tamaño del grano, mayor será el límite elésticodel material. El tamaño del grano de un metal depende de las vcaracterísticas delproceso de solidificación.

Endurecimiento por solución sólida.- Las disoluciones sólidas dotan a la aleaciones unadureza mucho mayor que el metal. En la gráfica siguiente se representa la relación del límitede elasticidad del metal aleado sin alear en relación con la proporción del soluto ( Sn, Be, Nio Zn). El endurecimiento se explica por la deformación mecánica que se produce al nocoincidir exactamente los tamaños tanto en las disoluciones de sustitución o de intersección.En este último caso, los pequeños átomos son atraídos por las dislocaciones haciendo queestas se estabilicen y para que se muevan será necesario aplicar una fuerza mayor.

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Problemas del tema 2 y 3

PROBLEMA 1 Calcular la relación Pilling-Bedworth para el Al , teniendo en cuenta que ladensidad de este metal es de 2.70 g/cm3 y la del óxido de aluminio es de 3.70 g/cm3 . Las masasatómicas del Al es de 26.98 g/mol y la del oxígeno es de 16 g/mol.

PROBLEMA 2 Un determinado material muestra una oxidación de comportamientoparabólico. Sabiendo que en 2 horas sufre una ganancia de peso por unidad de área de 100 μg/cm2.¿Cuál será su ganancia en peso por unidad de área transcurridos 15 días?

PROBLEMA 3 Determinar la tensión a 50º C de una pila galvánica Zn / Zn 2+ // Cu2+ / Cu ,sabiendo que la concentración del electrolito anódico es de 10-3 M y la concentración del eletrolitocatódico es de 10-2 M. Para calcular los potenciales normales de electrodo, utilizar las tablas deltema.

PROBLEMA 4.¿Cuánto tiempo será efectiva la protección mediante un ánodo de sacrificiode 5 Kg. de magnesio si la corriente media que se suministra es de 10 A . El PA (Mg) = 24.312g/mol.

PROBLEMA 5.Una pila galvánica está compuesta por un electrodo de Zn sumergido en unadisolución de sulfato de cinc de concentración 1 M y otro electrodo de Ni en una disolución de 1 Mde sulfato de níquel . Las dos disoluciones se encuentran separadas por un plato poroso que permiteseparar únicamente los iones sulfatos. ¿ Qué electrodo actuará de ánodo y cuál de cátodo?, ¿ cuálserá su F.E.M a 25º C y a 40ºC .

PROBLEMA 6. ¿Qué energía desprende la oxidación de 10 g. de Aluminio a 273º K?

PROBLEMA 7. Hallar el valor de la F.E.M. De una pila Daniell , en la que la concentraciónde Cu2+ es de 0.5 M y la de Zn2+ es de 1.5 M.

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PROBLEMA 8. Un metal cristaliza en la red BCC. Si su radio atómico es de 1.24 nm,¿cuántos átomos existirán en 1 cm3 ?

PROBLEMA 9.Considerando los átomos de oro como esferas macizas y rígidas de 1.44 Ade radio que forma una red FCC, calcula la densidad del oro . Su masa atómica es de 196.967 g/mol

PROBLEMA 10. La estructura cristalina del magnesio es HC. La distancia entre dos átomosde Mg, determinada por R-X es de 3.2 A, calcular la densidad del Mg.

PROBLEMA 11. Se sabe que el diámetro medio del grano de un determinado material es de10 μm y su límite elástico σE = 10.32 MPa. Si su temperatura se mantiene constante y el tamañodel grano se reduce hasta 5 μm., su límite elástico pasa a ser de 10.45 MPa. Con estos datos calcularel valor de K y del nuevo límite elástico σo.

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