Resumen 1er parcial - UTN-FRH PDF

Preview

Summary

UTN-FRH Profesor Zanin...

Description

Ciencias de los materiales Sistemas cristalinos

Redes de bravis

“El 95% de los metales solidifican en FCC, BCC, HCP”

Celda unitaria  La celda unitaria es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red.

Factor de empaquetamiento FEA: Vocupado en la celda unidad =4/3π.R^3. (nI + 1/2nC + 1/8nV) Vceldaunidad =a^3 nI: el número de átomos en el interior de la celda nC: el número de átomos en las caras nV: el número de átomos en los vértice Ej) Obtener el valor de “a”, mediante Pitágoras FEABCC a=4r/

FEABCC=

=



FCC: 4 átomos por celda



BCC: 2 átomos por celda

= 0.6801 = 68%

=

Índices de Miller

Densidad planar =

=

¿Cómo se constituyen las aleaciones?  Una aleación consta de dos o más elementos que están dispersos atómicamente y forman una estructura de una sola fase.  Es una mezcla de dos o más metales o de un metal y un no metal.  El tipo más sencillo de aleación es el de solución solida.  En general hay dos tipos de soluciones solidas: sustitucionales e intersticiales. S.S.I (Sol. Sólida Intersticial) Cuando el soluto tiene sus átomos alojados en los espacios interatómicos del solvente se dice que tenemos una solución intersticial. Pueden originarse solamente con solutos de pequeño volumen atómico. Estas no pueden formar soluciones en cualquier proporción, depende de la cantidad de átomos de otro sólido que se le agregue a la estructura cristalina original, ya que al agregarle una mayor cantidad de la posible se crearía una nueva fase y dejaría de ser una solución. Las S.S.I tienen una evidente diferencia de radios atómicos mayor al 15%, por lo tanto, no cumplen con Hume-Rothery. S.S.S (Sol. Sólida Sustitucional) Cuando sustituye átomos del metal solvente se dice que la solución sólida es sustitucional. El átomo de soluto sustitucional puede tener un diámetro ligeramente menor o mayor que el del solvente.

Estas pueden estar  Ordenadas o Desordenadas

Reglas de Hume-Rothery  Un conjunto de condiciones que deben cumplir las soluciones sólidas sustitucionales, para que tenga lugar la solubilidad total entre los distintos componentes. I.

La diferencia entre los radios atómicos debe ser inferior al 15 %.

II.

La electronegatividad debe ser similar.

III.

Los dos materiales deben poseer la misma estructura cristalina.

IV.

La valencia con la que actúan debe ser la misma. > Afinidad química > tendencia a formar compuestos 

Si no se cumplen la solubilidad es parcial  Por lo tanto será una mezcla



Si se cumplen la solubilidad es total

Solidificación  La solidificación de un metal o aleación puede dividirse en dos etapas: 1) Nucleación: formación de los núcleos 2) Crecimiento: el crecimiento de los núcleos para formar cristales y la formación de una estructura granular. Define la forma y tamaño del grano y está ligada a la disminución de la temperatura. A > Velocidad de enfriamiento < Tg > Cant. De borde de grano

Material monocristalino  Cuando la disposición atómica de un sólido cristalino es perfecta, sin interrupciones, a lo largo de toda la muestra Policristalino  Son un conjunto de muchos cristales pequeños o granos. Durante la solidificación aparecen pequeños cristales en distintas

posiciones.

Estas

orientaciones

cristalográficas

son

completamente al azar. La resistencia mecánica de un monocristal es superior, ya que los cubos se van juntando de manera perfecta, creciendo en iguales direcciones. Mientras que el policristalino produce varios gérmenes que crecen en distintas direcciones, y además tienen más de un ordenamiento cristalino.

 Tipos de granos: Orientado y equiaxial Equiaxial  Son granos orientados al azar, creciendo de una forma

relativamente

redonda

o

equiaxial,

con

orientación

cristalográfica aleatoria y deteniendo el crecimiento de los granos columnares. Esta formación es un proceso controlado por la nucleación. Orientado

dendrítico/Columnar



Son

granos

alargados,

orientados en una dirección cristalográfica particular. Dependiendo del molde estos granos crecen en la dirección opuesta al flujo de calor (Perpendicularmente a la pared del molde).

Estructura dendrítica  Es una estructura arbórea del sólido que crece cuando se solidifica un líquido sub-enfriado. Ocurre cuando la nucleación es débil y el líquido se sub-enfría antes de que se forme el sólido Sub enfriamiento  Algunos líquidos se pueden enfriar temporalmente a temperaturas más bajas que su punto de congelación. Se dice que están sobreenfriados . Esto es debido a que cuando se alcanza la temperatura de solidificación, los átomos del líquido están demasiado desordenados y no tienen la orientación adecuada para alcanzar la estructura cristalina. De esta manera se puede continuar descendiendo la temperatura del líquido por debajo del punto de solidificación, sin que llegue a producirse la solidificación. Dada la inestabilidad de los líquidos sobre enfriados, cualquier perturbación, puede provocar que solidifique rápidamente. Basta con que un pequeño número de átomos se ordenen y alcancen la estructura correcta .

Tipos de Molde para la solidificación  Molde metalico: Posee una mayor conductividad térmica, con existencia de granos pequeños equiaxiales en sus bordes y crecimiento columnar, y en el centro del molde una tamaño de grano grande equiaxial.

 Molde de arena, o térreo: Posee una menor conductividad térmica,

con

temperatura

tamaño

de

homogénea,

granos lo

que

grandes genera

equiaxiales, una

con

solidificación

homogénea.

La segregación  Es la solidificación en fuera de equilibrio, sucede cuando hay una distribución no uniforme de un metal en otro provocada por cambios de temperatura repentinos durante el cambio de fase. Este fenómeno sucede cuando hay enfriamientos bruscos en una aleación a alta temperatura. Índice de tamaño de grano N = Numero de granos en una pulgada cuadrada a 100x n = Numero de grano ASTM

Como tener una mayor cantidad de borde de grano A MENOR TAMAÑO DE GRANO MAYOR CANTIDAD DE BORDE DE GRANO • Trabajo mecánico: la idea es romper los granos para afinarlos • Agitación: la idea es romper la estructura para generar más borde de grano, lo cual se logra agitando el molde. • Agregar nucleantes: la idea es generar un mayor número de granos, los cuales se producen a través de la agregación de nucleantes que favorecen los centros de nucleación. • Enfriamiento rápido: la idea es tener un tamaño de grano más fino lo cual se logra forzando la nucleación.

Alotropía  Algunos metales y no metales pueden tener más de una estructura cristalina. Si este fenómeno ocurre en un sólido elemental se denomina alotropía. La existencia de una estructura cristalina depende la presión y la temperatura exterior. Ej) El carbono: grafito en condiciones ambientales  diamante se forma a presiones extremadamente elevadas. El hierro: El hierro puro tiene estructura cristalina BCC temperatura ambiental  cambia a FCC

Defectos Cristalinos  Un defecto cristalino es cualquier irregularidad o perturbación en la red de un sólido.

Clasificación 1º Orden o Puntuales:  generados por el movimiento de átomos a ganar energía por calentamiento durante el procesamiento del material, mediante la introducción de impurezas o intencionalmente a través de aleaciones



Vacancias: Es una posición atómica desocupada en la estructura

cristalina. Se producen durante la solidificación y como consecuencia de las vibraciones que desplazan los átomos de sus posiciones iniciales a unas nuevas. Tiende a contraer la red cristalográfica para buscar el equilibrio. A > Temperatura > Creación de vacancias



Intersticiales: Un átomo intersticial es aquel que ocupa un

intersticio, es decir esta insertado en la estructura perfecta del cristal.



Sustitucional: Defectos sustitucionales: Se

crea un defecto

sustitucional cuando se remplaza un átomo por otro de un tipo distinto. Puede ser de mayor o menor radio



Defecto de Schottky: Es un par de vacancias en un material de

enlace iónico; deben faltar tanto un anión como un catión de la red



Defecto de Frenkel: Se da cuando un ion salta de un punto normal

de la red a un sitio intersticial, dejando detrás una vacancia.

2º Orden o Lineales: 

Dislocaciones: Región distorsionada situada entre dos partes

perfectas de un cristal. Consta generalmente de un semiplano extra en el cristal. 

De borde o de arista: Un semiplano extra de átomos se

inserta en la estructura cristalina. Tiene forma de “T” invertida



Helicoidal o de tornillo: El apilamiento helicoidal de los

planos cristalinos hace que el vector de Burgers, sea paralelo a la dislocación.



Mixta: Defecto lineal tanto de borde como helicoidal, con

un vector de Burgers, compatible con la dislocación de borde pura y dislocación helicoidal pura. 

Movimiento (Deslizamiento y trepado)



Obstáculo de dislocaciones.



Creación de nuevas dislocaciones (Frank - Read)

3º Orden o Superficiales: 

Borde de Grano: Los átomos cerca del Borde de Grano no tienen

un arreglo en equilibrio. El borde de Grano se puede considerar una secuencia de dislocaciones. A > cant. De borde de grano y direcciones compactas > posibilidad de dislocaciones > Posibilidad deformación plástica > Rm, H



Defectos

de

apilamiento:

apilamiento de planos compactos.

Cambio

de

secuencia

de

un



Macla: Se generan por desplazamientos atómicos al aplicar

fuerzas mecánicas y durante tratamientos térmicos. Cambian de dirección al sistema cristalino.

4º Orden o Volumétricos:  Microscópicos:  Inclusiones No metálicas: son agentes sólidos no deseados provenientes por problema en la colada, fusión, desoxidación, solidificación y aún en estado sólido durante el enfriamiento  Oclusiones: Se trata de gases atrapados a nivel molecular o atómico, a nivel microscópico. A nivel macroscópico se trata de porosidades.  Grano: Los materiales metálicos se presentan casi siempre con estructuras policristalinas. Esto se debe a que la cristalización comienza al mismo tiempo en diversos puntos y progresa hasta que las diversas porciones de cristal se toquen e impidan su ulterior crecimiento.

o FORMA: Grano equiaxial, Grano orientado, por crecimiento dendrítico, por deformación plástica (acritud) textura cristalina o TAMAÑO: Grande  Poco Borde, Pequeño  Mucho Borde

 Macroscópicos:

Se

trata

de

gases

atrapados

a

nivel

macroscópico, generalmente ocasionados por problemas de colada.

Difusión:  Movimiento

de

los

átomos

con

la

temperatura,

depende

estrictamente de la temperatura. La velocidad del proceso aumenta exponencialmente con la temperatura.  Por esto se lo denomina un proceso térmicamente activado Ecuación de Arrhenius  La ecuación general que describe esos distintos procesos es la “Ecuación general de Arrhenius” Velocidad = C.e

-Q/RT

Q, la energía de activación; R, la constante universal de los gases, y T, la temperatura absoluta. 

F (T)  Creación de vacancias  A> Temp> Creación de vacancias. Sustitucional/intersticial

Defectos puntuales  Los defectos puntuales se originan como resultado directo de la oscilación periódica o la vibración térmica. A > Temp > intensidad de esta vibración > probabilidad que se produzca un desorden estructural y aparezca un defecto puntual .

Difusión:

Es un proceso que conduce a la nivelación espontanea de

la concentración. El soluto migra de un lugar de > concentración a un lugar de < concentración Autodifusión: Los átomos se mueven de una posición en la red a otra Debe tener  Un lugar vacio vecino El átomo debe tener suficiente energía como para romper los enlaces con los átomos vecinos

Coeficientes que afectan a la difusión  D = Do . e ^(-Q/KT) COEFICIENTES

COEFICIENTE DE DIFUSION

TEMPERATURA

> Temperatura > Difusión

RADIO ATÓMICO DEL SOLUTO

< Rad. Atómico > Difusión

TEMPERATURA DE SOLIDIFICACIÓN DE

< Punto de fusión > Difusión

LOS ELEMENTOS QUE CONFORMAN LA SOLUCIÓN MECANISMO DE DIFUSIÓN

La difusión puede ser tanto intersticial como

sustitucional.

<

Energía

de

activación > Difusividad SISTEMA CRISTALINO

Cuanto

más

compacto

el

sistema

cristalino < difusividad. Si disminuye la energía aumentará

de

activación la

difusividad

entonces (mayor

probabilidad de difusión intersticial)

Mecanismos de difusión: a) Movimiento de un solo átomo: 1) Vacantes. Es el mecanismo predominante en las disoluciones sólidas sustitucionales. 2) Intersticiales. Entre los átomos de solvente y de soluto son necesarias diferencias de tamaño muy grandes. b) Movimiento cooperativo de dos o más átomos: 1) Intercambio directo . Necesita energía muy elevada 2) Intercambio de Anillo (Zener). Este mecanismo de difusión tiene relativa importancia en la estructura cúbica centrada en el cuerpo, debido a que tienen una estructura menos compacta que las otras y la estructura más abierta requiere menos distorsión reticular durante el salto.

Esquema de algunos mecanismos de difusión 1 de intercambio simple 2 de intercambio cíclico 3 de vacantes 4 intersticial 5 mecanismo intersticial de desplazamiento. 6 craudiónico

Diagrama de equilibrio de fases  Es una representación grafica de las fases que están presentes en un sistema de aleación a diversas temperaturas, presiones y composiciones.

Regla de Gibbs  Para determinar invariantes V=C–F+1 V= variabilidad C=componentes del sistema F=fases Para ser invariante, el grado de libertad tiene que ser igual a 0.

Eutécticos, peritécticos, etc. Eutec  Viene de una sola fase

Ico/ica Viene del líquido

Peri Viene de dos o más fases

Oide Viene del sólido

Eutéctico L  α + β Peritéctico L + α  β

Peritectoide β + α  δ Eutectoide α β + δ

Monotéctico L1  α + L2

Curvas 

Curva de Líquidus: Límite que contiene superior a él todo en estado líquido.



Curva de Sólidus: Curva que contiene (inferior a la misma) todo en estado sólido.



Curva de Solvus: Curva que limita la solubilidad de un componente a una determinada temperatura

Compuesto Intermetálico: Compuesto molecular que aparece al reaccionar químicamente los dos elementos de una aleación binaria. El punto de fusión del compuesto Intermetálico (punto de fusión congruente). V = C – F + 1; V = 1 – 2 + 1; V = 0  Es INVARIANTE 1 Componente AmB n ; 2 Fases L+S Punto de fusión congruente; L  S

Tipos de diagramas 

Diagrama totalmente soluble al líquido y totalmente soluble al sólido



Totalmente soluble al líquido y parcialmente soluble al sólido “A” Zona de colada: cercanas al eutéctico, donde se fabrican las fundiciones Zona plástica: cercana a la soluciones solidas (parciales o totales)



Total solubilidad al líquido y parcialmente soluble al sólido



Total solubilidad al líquido y totalmente insoluble al sólido

Propiedades mecánicas 

Resistencia mecánica: lo que resiste un material a ser deformado.



Ductilidad es la medida del grado de deformación plástica que se produce hasta llegar a la rotura.

 La dureza es la medida de la resistencia del material a una deformación plástica localizada o puntual, dejando una pequeña impronta o hendidura.

 Tenacidad es la capacidad de absorción de energía hasta la rotura  El área contenida debajo de la “curva tensión -deformación” es la tenacidad

Ensayos Ensayo de tracción  se utiliza para analizar y observar la respuesta de un material, o una pieza determinada, sometido a una fuerza de tracción uniforme. La respuesta mecánica como resultado de la aplicación de este esfuerzo suele representarse mediante una curva tensión-deformación:

Fragilidad La fragilidad es una propiedad de los cerámicos o vidrios que es lo opuesto a la resistencia. Esta propiedad disminuye su resistencia a la fractura. Se puede evaluar a través de ensayos mecánicos como la flexión. No se puede usar tracción.

Tipos de deformación Plástica: Modo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicad Elástica: El cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación.

Endurecimiento por deformación

Recristalización La recristalización es la formación de un nuevo conjunto de granos equiaxiales libres de deformaciones que tienen baja densidad de dislocaciones, lo cual es una característica de la condición del material antes de ser deformado La temperatura de recristalización  Generalmente, esa temperatura se sitúa entre un tercio y la mitad de la temperatura absoluta de fusión del metal

Fuerza de cohesión vs temperatura La fuerza de cohesión es la atracción molecular entre moléculas semejantes de un líquido/solido/gas. La cohesión es mayor en los sólidos que en los líquidos y en éstos es mayor que en los gases. Por lo tanto, al aumentar la temperatura (brindarle energía), esta fuerza se debilita. Es decir que la relación es inversa, al aumentar la temperatura la fuerza de cohesión disminuye....