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
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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)
6
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
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