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Tecnologías, Información y Cultura Europea

TECNOLOGIA DE MATERIALES

Prof. Judit Molera Marimon

10 de octubre 2011

Tecnología de materiales

material: porción de materia sólida a la que se li piden unas

propiedades útiles para determinadas aplicaciones.

materiasólidosmateriales

210 de octubre de 2011

Material ≠ materias primaso reactivos químicos




10 de octubre de 2011 3

Ingeniería de los materiales: disciplina que se ocupa del estudio de los

materiales en relación a sus propiedades, estructura, procesamiento y

aplicaciones.

ESTRUCTURA

PROCESAMIENTO

APLICACIONES

PROPIEDADES



Clasificación de los materiales

10 de octubre de 2011 4Tecnologías, Información

y Cultura EuropeaTecnología de materiales

NO-METALES

METALES

más electropositivos

máselectronegativos




ENLACE COVALENTE

ENLACE METÁLICO

ENLACE IÓNICO

Enlace covalente: entre átomos no metálicos. Como ningún átomo no tiene tendencia a ceder

electrones, en un enlace covalente los electrones se comparten.

Enlace iónico: entre un metal y un no-metal. Hay una transferencia electrónica de un átomo a

otro formándose iones de diferente signo que se atraen por fuerza electrostática.

Enlace metálico: entre átomos metálicos. Cada átomo cede un o dos electrones que acaban

moviéndose libremente por el material.




ENLACE COVALENTE

ENLACE METÁLICO

ENLACE IÓNICO

Materiales metálicos: enlace metálico

Materiales cerámicos: enlace iónico o covalente.

Materiales poliméricos o polímeros: formados per grandes moléculas de carbono,

enlace covalente.




En general los materiales en dónde domina el enlace covalente o iónico son frágiles,

duros, son males conductores eléctricos y presentan un elevado punto de fusión.

En cambio, los materiales metálicos son en general tenaces, dúctiles, buenos

conductores eléctricos y térmicos y, además, son buenos absorbentes de la luz, lo

que les da un brillo metálico característico.

• Pero existen materiales metálicos aislantes o muy resistentes como el Nicrom

NiCr.

• Los mejores superconductores son materiales cerámicos.

• Existen polímeros conductores y muy duros que se emplean en la

construcción.




Los enlaces covalente e iónico son dos casos límite que corresponden respectivamente a una

diferencia nula o muy grande de electronegatividad de los átomos implicados en el enlace.

Para situaciones intermedias, existe el enlace mixto-iónico covalente. Cuanta más pequeña es

la diferencia de electronegatividad de los átomos, más naturaleza covalente tiene el enlace. En

cambio, cuanto más diferentes son las electronegatividades, más naturaleza iónica tiene el

enlace mixto.

También existe el enlace metálico-covalente o enlace mixto metálico-iónico en este caso entre

metales de diferente electronegatividad. El enlace metálico-iónico da lugar a los compuestos

intermetálicos, con interesantes propiedades tecnológicas para la obtención de aleaciones

resistentes.

También existen enlaces secundarios que están asociados a asimetrías en la distribución de la

carga en los átomos o moléculas (dipolos) conocidos también con el nombre de enlaces de van

der Waals y, en general, son débiles y no dan lugar a sólidos por si solos. Pero en polímeros y

cementos estos enlaces hacen un papel muy importante en los enlace por puente de hidrógeno.

La direccionalidad de los enlaces



CO O-- --

Electronscompartits

Si intentemdesplaçar

aquest oxigenl’enllaç

es trencaExemple: CO2Ejemplo: CO2

electrones compartidos

Si intentamos desplazar este oxígeno el enlace se rompe

Los enlaces covalentes sólo se pueden establecer en unas direcciones determinadas. El enlace es direccional.




Enlace iónico: una vez el átomo ha perdido 1 o 2 electrones adquiere una forma

perfectamente esférica:

La fuerza de Coulomb entre los dos iones Cl- i Na+ sólo depende de la distancia

mutua y no de la dirección (Ley de Coulomb).

Es un enlace adireccional.

Cl-

Na+

Cl-

Cl-Na+ Na+

Atracció de Coulomb

d

2

2

d

ekF =




Enlace metálico: los electrones compartidos no ocupan posiciones determinadas

entre los átomos. Es un enlace adireccional.

Cations

Mar d’electrons

Cationes

Mar de electrones

Propiedades mecánicas



Esencialmente les propiedades mecánicas hacen referencia a la deformación o fractura que

experimenta un material bajo la acción de fuerzas externas.

Definición de deformación Elongación:

∆L≡L-L0 Deformación unitaria:

00

0εL

L

L

LL ∆=

−=

unidades : 1km

km

milla

milla

m

m=== , es adimensional.

Deformación en %: 100ε100ε(%)0

0 ×=×−

=L

LL

L0 ∆L

L

Relación esfuerzo-deformación en el

régimen elástico. Ley de Hooke

La mayoría de los materiales cumplen

la Ley de Hooke:

El esfuerzo σ y la deformación ε son

proporcionales. La constante de

proporcionalidad, E, es característica de

cada material y se denomina:

• Módulo de Young.• Módulo elástico. • Módulo de rigidez.

σ1

εεσE

E =↔⋅=

Pendiente, E (modulo de Young)

σ

ε00




0 0.04 0.08 0.12 0.16deformació (ε)

0

100

200

300

400

500

σ (M

Pa

)

deformació elàstica

σu

σy

deformació al màxim de la corba

deformació plàstica

Limite elástico y resistencia

σy límite elástico o esfuerzo de fluencia.Es el esfuerzo en que empieza la deformación plástica.

σu Resistencia . Si el esfuerzo aplicado supera σu, el material se rompe.

Los materiales con σy y σu elevados son resistentes.

En los metales, típicamente, la máxima deformación elástica es de 0,002, mientras que la máxima deformación plástica puede alcanzar a 0,4. Además el módulo de Young suele ser muy grande.

Ductilidad

La ductilidad es la capacidad de deformación

plástica. Se suele medir en el ensayo a tracción.

Los materiales con alargamiento o reducción de

área elevados son muy dúctiles.

El caso contrario son los materiales frágiles.




Dureza

La dureza se puede definir como “la resistencia del material a ser rayado”.

El método más antiguo para determinar la dureza consiste en intentar rayar el material con puntas de

distinta dureza.

Actualmente existen métodos mucho más finos que otorgan un número a la

dureza del material. El valor de este número depende del método empleado,

pero los distintos métodos se basan en el mismo procedimiento de

indentación:

Cuanto más grande es la huella, menor es la dureza. La dureza se define como

la oposición que presenta el material a la deformación plástica bajo un esfuerzo a compresión con una punta determinada o normalizada.

F

Escala de Mohs 1-talco,

2-yeso,

3-calcita,

4-fluorita,

5-apatito,

6-ortosa,

7-cuarzo,

8-topacio,

9-corindón,

10-diamante.




Forma de la punta Fórmula p ara determinar la

dureza Ensayo Punta Vista lateral Vista

superior Carga

Brinell Esfera de 10 mm de acero o de

carburo de tungsteno

D

d d

P

−−

=22

π

2

dDDD

PHB

Vickers Pirámide de diamante

136º

d1 d1

P 21

1,854

d

PHV =

Knoop Pirámide de diamante

t

l/b= 7,11b/t= 4,00

l

b

P 2

14,2

l

PHK =

Rockwell ▪ Cono de diamante ▪ Esferas de acero de

3

1

4

1

8

1,

16

1,,

pulgadas de diámetro

120º

lsuperf icia

Rockwell

kg 45

kg 30

kg 15

Rockwell

kg 150

kg 100kg 60

Los métodos concretos (forma y dimensiones de la punta, carga aplicada...) definen las

diversas escalas de dureza:

Para las fórmulas de la tabla, la carga, P, está en kg y D, d, d1 y l en mm (W. D. Ca l lister, Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5a ed., John Wiley and Sons, 2001, EUA).




Relación dureza-resistencia

Aunque la dureza es una propiedad de la

superficie del material con interés per sí misma,

la determinación de la dureza puede tener un

valor añadido, ya que los materiales más

resistentes también suelen ser más duros.

La dureza se emplea como un método

aproximado rápido, barato y simple de cuantificar

la resistencia.

En los aceros σu es prácticamente proporcional a

HB.

Esta relación sólo es válida para materiales que

presenten deformación plástica. NO sirve ni para

las cerámicas ni para los vidrios. Tampoco sirve

para los materiales que tienen un tratamiento

superficial.

aceros: (MPa) 3,5 HBσu

HB (dureza Brinell)

~~

Latones

Fundiciónesferoïdal

Aceros

Re

sist

ènci

a,(M

Pa)

σ u

1.500

1.000

10000

200 300 400 500

500

Intensidad del enlace y propiedades mecánicas



Energia del enlace y temperatura de fusión

El conocimiento de la temperatura de fusión, Tf, es muy importante ya que nos dice si el enlace es más o menos fuerte. Esta relación hace que muchas propiedades varien de manera monótona con la Tf.

Tipus d’ enllaç Subst áncia Energia d’enllaç (kJ/mol)

Temperatura de fusió (ºC)

Iónic NaCl 640 801 MgO 100 2.800 Covalent Si 450 1.410 C 713 >3.550 Metál·lic Hg 68 -39 Al 324 660 Fe 406 1.538 W 849 3.410

Tf +

-

Rigidez +

-

Dureza +

-

Dilatación + térmica

-





La rigidez es una propiedad directamente relacionada con el enlace. Cuanto

más intenso es el enlace, más fuerte es la unión entre átomos, y por lo tanto

más oposición presenta el material a ser deformado y es más rígido.

Por esta razón, los materiales que tienen puntos de fusión elevados son

materiales rígidos.





Nos podemos preguntar

“y por qué el material sólo se deforma ∆L?”

A nivel atómico la respuesta es clara:

“A causa de les atracciones entre los átomos”.

Si ahora nos preguntamos: “Y por qué la fuerza F no es capaz de

romper el material?”.

Respuesta: porqué no supera la atracción entre los átomos.

Según esta aproximación estamos diciendo que el módulo de Young

y la resistencia serian menores si les atracciones atómicas fueran

menores.

O lo que es lo mismo, que las propiedades mecánicas dependen

sobretodo del enlace químico.

L0 F=0

L +0 ∆LF=0

Por ejemplo: T (Al) 600ºCT (Fe) 1500ºC

Por ejemplo: T (polímeros) < 300ºCTf(cerámicas) > 1500ºC

f

f

f

f

En conjunto, todos los aceros serán más rígidos, duros y resistentes que las aleaciones en base Al.

Los polímeros son menos duros, rígidos i tienen mayor fluencia que las cerámicas.




Propiedades que dependen de la composición química:

a) Temperatura de fusión, Tf

b) Módulo de Young, Ec) Densidadd) Dilatación térmica

Propiedades que dependen de la estructura:

a) Limite elásticob) Resistenciac) Durezad) Ductilidade) Termofluencia

La estructura de los materiales



En función del empaquetamiento de los átomos, los sólidos

pueden ser:

a) Cristalinos: los átomos están ordenados de acuerdo con

diversas estructuras atómicas.

b) Amorfos: los átomos están desordenados. Una fase

amorfa también se llama fase vítrea y un material

amorfo se denomina vidrio.

La estructura de los materiales



Los átomos se pueden ordenar de muchas formas distintas, pero que se

agrupan en 7 sistemas cristalinos:

Empaquetamiento atómico



Los metales se ordenan principalmente en 3 tipos de estructuras cristalinas de alta

simetría:

CC: cúbico centrado

(Cr, Fe-α, Mb, Ta, W)

CCC: cúbico centrado a las caras

(Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag, Fe-γ)

HC: hexagonal compacto

(Cd, Co, Ti-α, Zn)

Estructura y deformación plástica



Imaginemos un monocristal sometido a un ensayo de tracción:

(b)

σ>σy∆L=a

σ>σyσ=0

a

(a) Plano de deslizamiento

σ

Plano dedeslizamiento

σ

La primera figura (a), según la cual los enlaces se rompen σ > σy, es falsa.

La deformación plástica no corresponde a la rotura del material.

La figura (b) corresponde a la imagen correcta de la deformación plástica.

El material no se rompe sino que “fluye”.

Monocristal de Zn




En materiales policristalinos, estos mecanismos se pueden observar a nivel

de los granos individuales (→ microscópio óptico).

En materiales policristalinos, estos mecanismos se pueden observar a nivel de los granos individuales (→ microscópio óptico).

Las línias corresponden a planos de

deslizamiento en cobre policristalino.

Cambio de la estructura de un cobre

policristalino asociado a la deformación

plástica en frio.




La ductilidad de los metales proviene principalmente de la adireccionalidad

del enlace:


Para cualquier desplazamiento Δa, los átomos del plano A atraen los átomos del

plano B. Mientras el metal se deforma no aparecen grietas.

Plano de deslizamiento

A

B

∆a

Es comprueba que: Ejemplos:

CCC Al, Cu, Fe-γ CC Més planos Ductilidad Fe-α HC Ti, Mg




Ausencia de deformación plástica en las cerámicas. Comportamiento frágil

a) Cerámicas iónicas


b) Cerámicas covalentes

A

BRotura del cristal

Rep

ulsi ó

nel

ectr

ostà tái

ca

A

B

cuando los átomos del plano A se

desplazan hacia la derecha, los enlaces

no pueden mantener las direcciones

determinadas que fija el tipo de enlace

y se rompen.

Mecanismos de endurecimiento en los metales



Una vez visto cual es el mecanismo microscópico de la deformación plástica, nos

podemos plantear si es posible o no variar la resistencia a esta deformación (variar σy).

La respuesta es directa:

“Sí. Qualquier modificación de la estructura que dificulte el deslizamiento

incrementará σy.”

Adicionalmente σu también aumentará y el metal será más duro.

Hay cuatro mecanismos de endurecimiento:

a) Per solución sólida.

b) Per precipitados duros.

c) Per disminución del tamaño de grano.

d) Per trebajo en frio.




A. Endurecimiento por solución sólida

Los átomos de soluto hacen que los planos de deslizamiento no sean tan planos →

deslizamiento más difícil.

El soluto se endurecerá más cuando el radio sea más diferente.

Metal puro Solución sólidaPlano de

deslizamiento




0 10 20 300

Be

SiSn

AlNi

Zn

Porcentaje soluto, x %

Lím

itel

àstic

,M

paσ y

MaterialCuZnNiAlSnSiBe

Radio(A)1,2781,332

1,4321,5091,1761,143

1,243

∆r (%)-

4,2-2,712,118,1-8,0

-10,6

º

280

210

140

70

Composición (% peso Ni)0 10 20 30 40 50

σ yM

Pa 140

120

100

180

160

80

60

Composición (% pesoNi)

Du

ctili

tat(

%e

lon.

)

0 10 20 30 40 50

40

60

50

30

20

Ejemplo, aleaciones en base de Cu




B. Endurecimiento por precipitados duros

El plano de desplazamiento indicado quedará inutilizado por la presencia del

precipitado duro. Este efecto no se conseguiría si el precipitado fuero menos duro que

el metal que es queremos endurecer.

En general, endurece más muchos precipitados pequeños que pocos y grandes.

Ejemplos:

• Los duraluminios

• Los aceros al C, se debe a los precipitados de cementita (Fe3C).

Precipitado duro




C. Endurecimiento por disminución del tamaño de granoEn un material policristalino, cada frontera de grano actúa como un obstáculo al deslizamiento, ya

que el plano de deslizamiento cambia de dirección:

Los granos tienen diferentes orientaciones cristalográficas. Por esta razón el plano de

deslizamiento ha de cambiar de dirección al pasar por la frontera de grano, y se dificulta el

deslizamiento. Este efecto es más importante cuanto mayor es el cambio de dirección (ángulo de

la frontera de grano). Este fenómeno también se da en las maclas.

Cuanto más pequeños son los granos, mayor es el endurecimiento. Muchos materiales siguen la

relación de Hall-Petch:

donde σ0 y ky son constantes del material y d es el diámetro medio de los granos.

Frontera de grano

Pla

dellis

cam

ent

Grano A

σ y(M

Pa)

Tamaño de grano, d (mm)

d (mm)-1/2 -1/2

Aleación 70Cu-30Zn

4 8 12 16

50

200

100

0

150

10-1 10-2 5·10-3




D. Endurecimiento por deformación en frio

Cuando se deforma plásticamente un metal a T suficientemente baja, inevitablemente

los átomos se desordenan parcialmente y aparecen nuevas dislocaciones que

desdibujan los planos de deslizamiento. Debido a la deformación en frio, el material se

endurece, aumenta la resistencia y disminuye la ductilidad, el material ha ganado

“acritud”.

Ejemplo: hilo de cobre.

Hilo de máquinaD = 10 mmσy=220 Mpa

Hilo de cobreD= 0,2 mm

=345 Mpaσy




D. Endurecimiento por deformación en frio El trabajo en frio incrementa la resistencia. Este incremento se suele representar en

función del porcentaje de trabajo en frio (% CW):

Ad: sección de la pieza deformada

Las gráficas indican que a medida que el metal se hace más resistente se vuelve a la

vez más frágil. Llega un momento en que la ductilidad es nula y ya no es posible

continuar deformando sin que aparezcan grietas.

Acero 1040

Cobre

%CW

σyM

Pa

Latón

0 20 40 60

500

100

300

700

Cobre

Latón

%CW

σ uM

Pa

Acero 1040

0 20 40 60

600

200

400

800

%CW

Du

ctili

tat(

%e

lon.

)

Laton

0 20 40 60

40

0

20

60

Restauración de las propiedades mecánicas de los metales



La recocción

La recocción consiste en calentar el material a la temperatura y tiempo adecuado para

que los defectos creados durante el trabajo en frio desaparezcan. Microscópicamente,

se puede entender del siguiente modo:

T -agitación

térmica

movimiento de los átomos a

posiciones más estables

est. cristalina

más perfecta




En la recocción podemos considerar tres etapas:

• Recuperación. En esta etapa se eliminan las tensiones residuales.

El movimiento de dislocaciones forma una estructura subgranular. La

densidad de dislocaciones no cambia. Por lo tanto, se mantienen las

propiedades mecánicas pero mejora la conductividad eléctrica y puede

que mejore la resistencia a la corrosión.

• Recristalización. Se forman nuevos granos cristalinos libre de

defectos. Los nuevos granos nuclean en las fronteras de la estructura

subgranular. Se recuperan las propiedades mecánicas que tenía el

material antes de ser deformado.

• Crecimiento de grano. El tamaño medio de los granos aumenta y

se empobrecen las propiedades mecánicas. Se debe evitar esta etapa.

La recocción contra acritud termina en la segunda etapa y tiene como

objetivo restaurar las propiedades mecánicas que tenía el material

antes del trabajo en frio




Recocción de un latón a 580ºC a diferentes tiempos

0 s 3 s 4 s

8 s 15 min 10 min (a 700 ºC)

su

Ductilitadad

Temperatura de recocción (ºC)

mid

ad

egr

a(

mm)

su(

MP

a)

Du

ctil

itat

%E

L

Nuevos

granos

recuperación Crecimiento de granorecristalitzación

W.D. Callister, Fundamentals of materials Science and Engineering, 5ed, John Wiley and Sons, 2001, EUA)

A temperaturas elevadas, el tiempo de recocción debe ser más corto para obtener el mismo

resultado. tiempo ≈ 1 hora para Trecocción ~0,3Tf a 0,4Tf (K)

Solidificación

38

La solidificación es posiblemente el cambio de fase más importante en los materiales.

La mayoría de los metales han pasado por el estado fundido antes de convertirse en una pieza.

Todos los materiales vítreos y amorfos han pasado por un estado fundido.

Los polímeros también pasan por un estado fundido en su conformación.

Tecnologías, Información y Cultura Europea 10 de octubre de 2011


Evolución térmica durante la fusión

39

Cuando calentamos una material sólido de forma cons tante podemos observar la siguiente evolución:

No podemos superar la temperatura de fusión (Tf) hasta que todo el sólido se haya fundido.

No puede existir el material en estado sólido para T superiores a la Tf.

Para pasar del estado sólido al líquido debemos subministrar energía, por lo tanto se

trata de un proceso endotérmico.

Tiempo

10 de octubre de 2011Tecnología de materialesTecnologías, Información

y Cultura Europea

Evolución térmica durant la solidificación

40

Para que el material solidifique es necesario que el líquido esté por debajo de la Tf. Es necesario un subenfriamiento.

Una vez empieza la solidificación, el calor desprendido de la cristalización calienta la masa hasta la temperatura de fusión Tf. De echo, si extragéramos el calor suficientemente rápido, la solidificación podría continuar a T < Tf.

En la transformación del estado líquido al estado sólido se desprende energía; es un proceso exotérmico.

Tiempo

Subenfriamiento:



Análisis microscópica del la nucleación y el crecimiento.

41Tecnologías, Información

y Cultura Europea 10 de octubre de 2011Tecnología de materiales

2r

T > Tf estado líquido a) átomos desordenados

b) energía cinética Ec elevada

T < Tf los átomos tienen menor Ec, y es posible la

formación de clústers ordenados dentro del líquido, pero no

significa que empiece la solidificación.

Se pueden dar 2 casos:

• r<rc las agrupaciones se redisuelven (embriones)

• r>rc no se redisuelven, sinó que pueden crecer por

acumulación progresiva de átomos del líquido

(núcleo)

Análisis microscópica del la nucleación y el crecimiento.



2r

Cuando la temperatura desciende el rc es menor ( T↓ rc↓) y es más fácil la

formación de núcleos. Por eso es necesario el subenfriamiento.

El tiempo transcurrido durante el subenfriamiento es el tiempo de incubación.

Así pues, podemos distinguir dos etapas en el proceso de solificación:a) Nucleación = formación de núcleos estables

b) Crecimiento

Cuanto menor es la temperatura, menos

energía tienen los átomos del líquido y

disuelven con más dificultad los embriones.

Nucleación homogénea y heterogénea

43

Nucleación homogénea: es la que hemos descrito. Los núcleos se forman en el interior del

líquido sin la participación de ninguna superficie sólida, radios críticos grandes y ∆T grandes.

Nucleación heterogénea: el radio crítico rc y ∆T son menores si los átomos se pueden agrupar sobre

una superficie sólida preexistente (p.ej. las paredes de la lingotera y las impurezas).

Podemos ver que, cuando la nucleación es homogénea, el valor de ∆T puede ser muy grande. Por otra

lado, si la nucleación es heterogénea entonces la diferencia de temperatura, ∆T ≈ 1 ºC. Esto es lo que

pasa normalmente en los metales, por la presencia de impurezas y superficies (el contacto con las

paredes de la lingotera).



MaterialFeNi Cu

T(ºC)1.5381.4531.085

f

∆T ( homogénea)

420480236

nucleación

Proceso de solidificación en un molde



En contacto con las paredes del molde, el líquido se

subenfría rápidamente y nuclean pequeños cristales con

orientaciones aleatorias →granos equiaxiales (chilled).

A medida que se va disipando el calor hacia el molde,

algunos granos crecen y otros no. De este modo los granos

crecen granos columnares siguiendo una orientación

perpendicular a la pared de la lingotera, ya que así se

disipa el calor con más efectividad. da.

Finalmente, si se dan las condiciones adecuadas, puede ser

que en el líquido del centro empiece la nucleación

homogénea y se formen nuevos granos equiaxiales.

Núcleos (T<T)f

Líquido

Líquido

Granos equiaxiales (chilled)

Líquido

Granos columnares




Granos equiaxiales

Esta evolución explica la estructura fina de los granos de una pieza colada.

La cantidad de cada tipo de granos depende de las condiciones de enfriamiento.

Normalmente interesa evitar la formación de granos

columnares y por eso se favorece la formación de

granos equiaxiales en el seno del líquido. Esto se

puede conseguir añadiendo agentes nucleantes

(refinadores de grano).

Lingote de plomo Hi lo de cobre




Defectos en los materiales colados

El proceso de solidificación suelen comportar la formación de defectos típicos en las microestructuras:

• Segregación: variación de la concentración de soluto (peor resistencia a la corrosión y temperatura de fusión más baja).

• Porosidad y cavidades internas .

λ

Posició

X solut

Porosidad en un cordón de soldadura

Solidificación sin nucleación

Tecnologia de materials 47

Si enfriamos el líquido muy deprisa, los átomos perderán su energía térmica

antes de poderse ordenar según su estructura cristalina.

Obtendremos un sólido con la estructura desordenada de un líquido

congelado: es un material amorfo (= vidrio).

La velocidad de enfriamiento para obtener un vidrio es muy variable según el

tipo de material:

Metales: estructura cristalina simple → enfriamiento muy rápido 106 ºC/s

→ vidrios metálicos.

Cerámicas y polímeros: estructura cristalina compleja → hasta en

enfriamientos muy lentos se pueden obtener materiales amorfos

(vidrios de SiO2, polímeros amorfos...).

Los vidrios metálicos



Los vidrios metálicos son una nueva clase de materiales descubierta en 1960, que

desde el primer momento atrajeron una considerable atención científica.

La investigación realizada en estos 50 años ha permitido descubrir más de mil

composiciones de aleaciones amorfas metálicas, las cuales algunos cientos presentan

propiedades interesantes para diversas aplicaciones tecnológicas y se pueden producir

en dimensiones que permiten su utilización industrial.

¿Qué es realmente un vidrio?



Cuando enfriamos un líquido por debajo de su punto de fusión su viscosidad aumenta

progresivamente, si conseguimos evitar la cristalización llegaremos a una temperatura

en que la viscosidad alcanza valores superiores a los 1012 Pa·s. En este punto la

respuesta del material a una fuerza exterior es tan lenta que puede ser considerado un

sólido, sin embargo su estructura interna sigue siendo la de un líquido.

Llamamos este material un vidrio, y el punto donde consideramos que el

comportamiento pasa de tipo líquido a tipo sólido es la temperatura de transición vítrea. Esta transición se define arbitrariamente como la temperatura por debajo de la

cual la viscosidad ŋ> 1012 Pa·s, o equivalentemente, cuando el tiempo característico de

respuesta del material para adaptarse a una fuerza externa (el tiempo de relajación τ)

es inferior a 100 segundos (τ> 100s).

La transición vítrea



La transición vítrea se observa en muchos tipos de sustancias:

materiales covalentes: SiO2 B2O3 PbO2

materiales poliméricos y materiales orgánicos

En el caso de los metales, la relativa simplicidad de su estructura cristalina, facilita la

nucleación cristalina durante el proceso de enfriamiento, imposibilitando que el líquido

llegue al punto de vitrificación.

No se ha obtenido nunca un metal puro en estado vítreo, sin embargo la aplicación de

métodos de enfriamiento rápido permite la obtención de cristales metálicos a partir de

aleaciones con determinadas composiciones. Para estas composiciones, el proceso de

cristalización es suficientemente complejo y la viscosidad del metal líquido aumenta

suficientemente rápido durante el enfriamiento como para obtener un metal

vitrificado, es decir, una aleación sólida con la estructura interna de un líquido.

La transición vítrea



Desde el punto de vista del procesado, la zona donde la viscosidad está entre los 104 y

108 Pa·s permite la producción de formas y geometrías diversas mediante la

deformación del material viscoso. La posibilidad de conseguir deformaciones bajo la

acción de fuerzas ligeras, como en procesos de impresión, se consigue en el entorno

del 104-105 Pa·s.

Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos



La fragilidad de un líquido no corresponde al concepto de material frágil de los

materiales cristalinos.

La fragilidad de un vidrio metálico es una medida de la velocidad de cambio de la viscosidad en torno a la transición vítrea y por tanto de la rigidez de la estructura de la

fase líquida, y no tiene nada que ver con que el material, un vez sólido, tenga una

fractura de tipo frágil.

La nomenclatura procede de la industria del vidrio, los vidrios fuertes pueden ser

soplados con más facilidad que los cristales frágiles, ya que su viscosidad disminuye

más lentamente al aumentar la temperatura y presentan una zona de procesado más

extensa.




La zona elásticaUna propiedad general de los vidrios metálicos, que ha despertado mucho interés de

cara a posibles aplicaciones, es la extensión de la zona elástica en comparación a

aleaciones cristalinas.

El módulo de Young E es ligeramente inferior a aleaciones cristalinas con

composiciones similares pero el límite de la zona elástica se produce a esfuerzos y

deformaciones significativamente más elevadas.

El límite elástico σσσσy de los vidrios metálicos suele ser un 30% superior y

la deformación en límite elástico εεεε y pasa de valores típicos del 0.65% a valores del 2%.

La justificación física de la extensión de la zona elástica en los cristales metálicos es la

falta de defectos cristalinos. Debido a esto, el límite elástico de los cristales metálicos

se produce a cargas aplicadas muy superiores y es lo más parecido al límite teórico, es

decir el límite determinado por la fuerza de los enlaces metálicos




Los vidrios metálicos con Hierro y cobalto son los que tienen los límites elásticos más

altos, entre 5500 i 4000 Mpa.

Las propiedades relacionadas con la extensión de la zona elástica es que los BMG

tienen una elevada resiliencia, propiedad que caracteriza la capacidad de almacenar y

devolver energía elástica.

La alta resiliencia y el bajo coeficiente de pérdidas son probablemente las dos

propiedades mecánicas más excepcionales de los cristales metálicos en comparación al

resto de materiales metálicos, presentando valores con diferencias que pueden llegar a

órdenes de magnitud respecto a aleaciones cristalinos con composiciones similares.

Esta propiedad es importante en aplicaciones tales como muelles u otros elementos

mecánicos que deban recuperarse de las cargas aplicadas sin deformaciones

permanentes. E útil para mecanismos que tengan que actuar en un régimen de

vibraciones rápidas o como medios transmisores de ondas elásticas.




Ductilidad en tracciónLa práticamente nula habilidad de los vidrios metálicos para deformarse en

condiciones de tracción, es uno de los principales inconvenientes de estos materiales

en aplicaciones mecánicas.

Ductilidad en compresiónLa ductilidad a compresión vienen determinada por la capacidad de fluir y activar

bandas de cizalla.

Curva esuerzo-deformación de un ensayo a compresión de una aleación amorfa de Cu49Hf42Al9. Imagen de SEM de la superfície de fractura dónde se ven las bandas de cizalla.

El grafeno, el material del futuro?



Geim y Novoselov (Premios Nobel de Física 2010

Geim y Novoselov, dos físico rusos ganaron el Premio Nobel de Física del año

2010, por demostrar el comportamiento del grafeno, un material del espesor de

un solo átomo de carbono (el material más delgado descubierto) con

implicaciones en áreas tan diversas que van desde la Física cuántica hasta la

electrónica de consumo.

Aunque la Unión Internacional de Cristalografía (IUPAC) lo bautizó formalmente en 1994,

no fue hasta 2004 que se logró separar por primera vez una capa individual de grafeno del

grafito volumétrico. Ocurrió casi simultáneamente en la Universidad de Manchester

(Inglaterra), y en el Instituto de Tecnología Microelectrónica de Chernogolovka (Rusia).

El grafeno, el material del futuro?



Los átomos de carbono forman dos tipos de sólidos estables con

propiedades físicas muy diferentes; el diamante y el grafito. La

diferencia es causada por la forma en que los átomos se ordenan a

nivel microscópico.

• En el diamante -uno de los materiales más duros que existen- los

átomos de carbono forman una malla tridimensional, entrelazada

y compacta.

• En el grafito, mucho más blando, los átomos se ordenan en

estructuras hexagonales similares a las de un panal de

abejas. Esas celdas están fuertemente enlazadas por los costados,

formando capas bidimensionales (ver figura). Sin embargo, los

enlaces entre capas adyacentes son muy débiles, de manera que

cada capa se desliza fácilmente respecto a las demás.

Cada una de esas capas de carbono, esté o no integrada al grafito, es

una capa de grafeno.

Grafito, formado por capas de grafeno que interaccionandébilmente entre si.

El grafeno



Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

• Alta conductividad térmica y eléctrica.• Alta elasticidad y dureza.• Resistencia (200 veces mayor que la del acero).• El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para

formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.

• Soporta la radiación ionizante.• Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.• Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.• Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.• Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.




http://www.youtube.com/watch?v=-YbS-YyvCl4&feature=player_embedded

Gracias por vuestra atención.

Referencias



Roura, P., Farjas, J. Güell, JM. (2006). Apunts de fonaments de ciències dels

materials.

Universitat de Girona. 2006. 1 ed. català.

Edició electrònica. ISBN: 84-8458-227-2

Dipòsit legal: GI.826-2006

W.D.Callister, Materials Science and Engineering. An Introduction. Wiley.

W.F.Smith, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. McGraw

Hill.

J.F.Shackelford, Ciencia de Materiales para Ingenieros, Prentice Hall.

http://www.youtube.com/watch?v=-YbS-YyvCl4&feature=player_embedded

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