TEMA 1.CONFIGURACIN ESTRUCTURAL

DE LOS

MATERIALES

2

MATERIALES METLICOS

Materiales Metlicos: materiales que poseen propiedades y caractersticas metlicas.

Opacidad Conductividad elctrica y trmica Ductilidad Alta densidad Temperaturas fusin elevadas Brillo metlico

Aleaciones: Importancia industrial

80

152,5 2 0,5 ACERO AL CARBONO

ACEROS ALEADOS YFUNDICIONESALUMINIO Y ALEACIONES

COBRE Y ALEACIONES

RESTO

3

Estructura de los metales puros

Enlaces a travs del mar de electrones de valencia donados(1, 2, or 3 de cada atmo).

Enlace primario en metales y aleaciones metlicas

+ + +

+ + +

+ + +

ENLACE METLICO Tendencia al empaquetamiento

compacto Usualmente un nico elemento

con lo que todos los radios atmicos son idnticos

Enlace metlico no direccional Las distancias entre los vecinos

ms prximos tienden a ser pequeas para minimizar la energa de enlace

Estructuras simples

1. Enlace metlico.2. Estructura cristalina (FCC,BCC, HC).3. Vidrios metlicos

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Redes de Bravais

5

Estructura BCC

Cr, Fe, Mo, V, W

Nmero tomos/celdilla = 2

Densidad atmica= 2/a3

Radio atmico

ndice de coordinacin = 8

Ra 43 =

3

3

34342

R

R Factor de empaquetamiento =

Direcciones compactas [111]

Planos compactos (110)

Red: BCCBase estructural: (0,0,0)

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Estructura FCC

Ag, Al, Au, Cu, Ni, Pb, Pt

Nmero tomos/celdilla = 4

Densidad atmica= 4/a3

Radio atmico

ndice de coordinacin = 12

Factor empaquetamiento =

Direcciones compactas [110]

Planos compactos (111)

Ra 42 =

3

3

24344

R

R

Red: FCCBase estructural: (0,0,0)

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Densidad terica,

= n AVc NA

# atoms/unit cell Atomic weight (g/mol)

Volume/unit cell (cm 3/unit cell)

Avogadro's number (6.023 x 10 23 atoms/mol)

Estructura = FCC: 4 atoms/celda unidad

Peso atmico = 63.55 g/mol

R = 0.128 nm

Volumen de la celdilla = a3 = cm3

real = 8.94 gr/cm3

terica = 8.89 gr/cm3Ejemplo: Cu

231075.4

8

Estructura HC

Red: Hexagonal centrada en las carasBase estructural: (0,0,0) (1/3, 2/3, c/2)

3D Proyeccin 2D Projection

A sitios

B sitios

A sitios Capa inferior

Capa intermedia

Capa superior

ndice de coordinacion = 12, si c/a= 1,63

ndice de coordinacion = 6, si

Factor de empaquetamiento atmico = 0.74

2

2Ra

aR

=

=

63.1ac

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ABCABC... Secuencia de apilamiento2D Proyeccin

A sitios

B sitios

C sitios

AB

CFCC Celda Unidad

FCC-HC: Similitud

FCC . ABCABCABCHC . ABABABAB..

B B

B

BB

B BC C

CA

C C

C

A

A

A

A

A

A

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Microestructura

aRi 079.0=

E (diagonal) = 273 GPa

E (edge) = 125 GPa

Monocristales

Anisotropia: las propiedades varian con la direccin.

Ejemplo: Mdulo de elasticidad (E) en BCC hierro

Policristales

Las propiedades pueden/no pueden variar con la direccin.

-Si los granos estn orientados al azar: isotrpicos.

(Epoly iron = 210 GPa)-Si los granos estan deformados son anisotrpicos.

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Defectos de la estructura cristalina

Vacantes tomos intersticiales Impurezas Defecto de Frenkel

Dislocaciones

Bordes de grano

Defectos Puntuales

Defectos Lineales

Defectos Superficiales

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VacantesVacancy

distortion of planes

Defectos puntuales

Puede producirse durante la solidificacin por perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales o por reordenamientos atmicos en el cristal ya formado como consecuencia de la movilidad de los tomos.

Son las imperfecciones ms comunes en los cristales. Se dan hasta una por cada 10000 tomos.

Las vacantes pueden trasladarse cambiando su posicin con sus vecinos. Este proceso es importante en la migracin o difusin de los tomos en el estado slido, sobre todo a altas temperaturas donde la movilidad de los tomos es mayor.

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Defectos puntuales

tomos intersticiales: (importantes en los procesos de difusin)

self-interstitialdistortion

of planes

Defecto de Frenkel:

Es una imperfeccin combinadaVacante + Defecto intersticial.

Ocurre cuando un in salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una vacante con carga elctrica.

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Sustitucionales: el soluto o las impurezas reemplazan a tomos originales.

Intersticiales: los tomos de las impurezas llenan los vacos o intersticios dentro del material original.

Defectos puntuales

Impurezas(ej. Solucin slida

de Cu en Ni)

(ej. Solucin slidade C en Fe)

Incoherentes con la matriz: Solucin slida de B en A y partculas de una nuevafase (con diferente composicin y a menudo diferente estructura).

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Gran influencia en el comportamiento mecnico, favorecen deslizamiento en planoscristalinos, originando deformacin permanente (plstica).

Tipos de dislocaciones:

Dislocaciones

Defectos lineales

Dislocacin helicoidal Dislocacin MixtasDislocacin de borde

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Efecto de la deformacin plstica de una probeta de Zinc (HCP):

Antes de la deformacin

Despues de la elongacin

a traccin

Defectos lineales

Influencia de las dislocaciones en los mecanismos de deformacin:

Las dislocaciones aumentan los planos de deslizamiento La lnea de la dislocacin se desplaza fcilmente y origina la deformacinLa lnea de la dislocacin separa la parte de material deslizado de la izquierda especto

a la no deslizada de la derecha. El movimiento de la dislocacin requiere el desplazamiento de un semiplano de tomos

(desde la izquierda a la derecha) sobre el otro fijo.Los enlaces a travs de los planos de deslizamiento se rompen y se forman otros nuevos

en sucesin lo que requiere de slo un ligero rearreglo de los tomos.

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Movimiento de las dislocaciones

Movimiento de diferentes tipos de dislocaciones para originar idntico

corte.

Vista atmica del movimiento de unadislocacion de borde desde la izquierdahasta la derecha al deformar el cristal

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Bordes de granoSon lmites entre los cristales que constituyen el material policristalino.

Se originan el el proceso de solidificacin.A traves de ellos cambia la orientacin del cristal.

Constituyen un impedimento al movimiento de las dislocaciones.

Bordes De grano

Fe-Cr alloy

microscocopio

Borde de grano

Superficie atacada

Superficie pulida

Defectos Superficiales

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MATERIALES CERMICOS

Materiales inorgnicos no metlicos Materiales policristalinos o amorfos Carcter no metlico Enlace inico/covalente estabilidad T fusin Materiales duros y frgiles ( tenacidad y ductilidad) Aislantes elctricos y trmicos

Materiales Cermicos: propiedades y caractersticas.

Tipos de cermicos

Dos grupos principales:Cermicos tradicionales: a partir de arcilla, slice y feldespato (porcelanas, ladrillos, vidrio, etc.)Cermicos avanzados: formados por compuestos tales como Al2O3, SiC, Si3Ni4

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Aplicaciones:

Sustratos de circuitos, semiconductoresDielctricos de condensadoresCermicos piezoelctricosPrismas y lentes en tecnologa lserEnerga nuclear: combustibles, pantallas absorbentesQuemadores e intercambiadores de calorElementos de motores trmicosMatrices de extrusin y herramientas de mecanizado

Importancia industrial

Limitaciones: debidas a su fragilidad caracterstica

Alta sensibilidad ante defectos (poros, inclusiones) que actan como concentradores de tensionesDificultades en cuanto al diseoElevado precio

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Tiene un % de carcter inico y un % de carcter covalenteEl % de carcter inico aumenta con la diferencia de electronegatividad

He -

Ne -

Ar -

Kr -

Xe -

Rn -

Cl 3.0Br

2.8I

2.5At

2.2

Li 1.0Na 0.9K

0.8Rb 0.8Cs 0.7Fr

0.7

H 2.1

Be 1.5Mg 1.2

Sr 1.0Ba 0.9Ra 0.9

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

C 2.5Si

1.8

F 4.0

Ca 1.0

Table of Electronegativities

CaF 2: largeSiC: smallCaF2: dif.

SiC: dif.

Tabla de electronegatividades

Estructura de los cermicos

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Cermicos inicos

Dos factores definen la estructura y el grado de compactacin de los cermicos inicos:

La carga elctrica de los iones: el cristal debe ser elctricamente neutroLos tamaos relativos de aniones y cationes

Estructura estable el catin est en contacto con todos los aniones que le rodean.

Nmero de coordinacin (NC) es el nmero de aniones ms prximos a un catin.

NC rc/ra con el que se da el contacto

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Estructuras de cermicos AX

Cloruro sdico NaCl

Red: FCC

Base estructural:

Cl-(0,0,0) Na+(1/2,0,0)

a= 2R(Na+)+2R(Cl-)

NC =6 (aniones y cationes)

FCC para aniones

Cationes en todos los huecos octadricos

Otros cermicos: NaCl, MgO, MnS, LiF, FeO

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Estructuras de cermicos AnXp

Fluorita (CaF2)

NC =4 (aniones), 8 (cationes)

FCC para Ca2+

F- en todos los huecos tetradricos

Base estructural:

Ca