Si no es cristalino es amorfo

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Texto completo

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02 – Estructura cristalina

Año 2017

17/08/2017 1

Contenido

• Orden cristalino

estructura cristalina

• Sistemas cristalinos

• Propiedades del cristal metálico

• Grano y borde de grano

– Rotura intercristalina

– Rotura transcristalina

– Temperatura de equicohesión

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Contenido

• Aleación

• Solución sólida: intersticial y sustitucional

• Fase

• Compuesto intermetálico

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CRISTAL METALICO

Cristalino

: estado de un material sólido caracterizado

por un arreglo tridimensional de átomos, iones o

moléculas que se repite periódicamente en el espacio.

– Si el sólido no es cristalino es amorfo

Estructura cristalina:

para materiales cristalinos, es la

forma en que los átomos o iones están dispuestos en el

espacio. Se define por una celda unitaria y la disposición

de átomos o iones en esa celda.

Sistema cristalino:

es una representación geométrica

mediante la cual se puede definir una estructura

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¿Cuál es sistema cristalino y cuál estructura cristalina?

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Si no es cristalino es amorfo

Ordenado cristalino

cuarzo, cristobalita, tridimita Desordenado amorfo

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CRISTAL METALICO

Sistema cristalino Variante Ejes Ángulos

Cúbico simple

centrado en el cuerpo centrado en las caras

a = b = c α= β= γ= 90°

Tetragonal simple

centrado en el cuerpo

a = b ≠c α= β= γ= 90°

Ortorrómbico simple

centrado en el cuerpo centrado en las caras centrado en las bases

a ≠b ≠c α= β= γ= 90°

Romboédrico simple a = b = c α= β= γ≠90°

Hexagonal simple

compacto

a = b ≠c α= β= 90°

γ= 120°

Monoclínico simple

centrada en las bases

a ≠b ≠c α= β= 90°

γ≠90°

Triclínico simple a ≠b ≠c α ≠ β ≠γ≠90°

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CRISTAL METALICO

...

...

...

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Cúbico centrado en el cuerpo – BCC

Fe-δ, Fe-α, Mo, Ti-β, Zr-β, W, Cr

Cúbico centrado en las caras – FCC

Cu, Fe-γ, Al, Ag, Au, Ni

Hexagonal Compacto – HCP

Ti-α, Zr-α, Zn, Mg, Co, Fe-ε

CRISTAL METALICO

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Alotropía

• Algunos metales y no metales pueden

tener más de una estructura cristalina

polimorfismo

• Si este fenómeno ocurre en un sólido

elemental

alotropía (3.6 de Callister)

• Ejemplo: carbono, hierro, titanio y circonio

Alotropía del Fe

Bhadeshia y Honeycombe; Steels – Microstructure and properties; Elsevier; 2006

Ferrita

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Parámetros de red

(Cahn & Haasen, Vol 2, 1996)

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• El ordenamiento interno de los átomos es la característica esencial del estado cristalino si no amorfo

• El tipo de estructura cristalina determina muchas de las características físicas y químicas de los metales, como la conductividad térmica, la solubilidad, la resistencia mecánica, el coeficiente de dilatación.

• A raíz de la estructura cristalográfica, los metales presentan distintas propiedades en las diferentes direcciones dentro del cristal. Los metales son anisotrópicospor sus propiedades vectoriales.

• La conductividad eléctrica es debida a la nube electrónica que rodea a los retículos formado por iones positivos

ESTRUCTURA CRISTALINA Y PROPIEDADES

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• La ductilidad varía con la estructura cristalina, los metales puros con estructura cúbica centrada en las caras presentan los mayores valores de ductilidad (ejemplos Cu, Al, Au, Ag).

• Si la estructura es más compleja (+ aleantes + fases) la ductilidad disminuye, aumenta la dureza y la resistencia a los esfuerzos mecánicos

• Cuándo los metales puros son aleados con otros elementos químicos la ductilidad disminuye y la resistencia aumenta

ESTRUCTURA CRISTALINA Y PROPIEDADES

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• Utilice el sitio www.matweb.compara obtener los valores de resistencia mecánica de los siguientes elementos:

• Zr (HCP) 330 MPa • Ag (FCC) 140 MPa

• Mo (BCC) 350 MPa • Fe (BCC)

• Co (HCP)

• Ni (FCC)

• Al (FCC)

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El Grano metálico

Grano:

un cristal individual en un material policristalino.

– La diferencia entre un cristal y otro puede darse su composición química, la estructura cristalina o la orientación espacial del cristal

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El Grano metálico

C % Mn % P % S % Si % Cr % Ni % Mo % Cu % Al % Fe %

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El Grano metálico

• Los materiales metálicos se presentan normalmente con estructuras policristalinas.

• La solidificación de un material comienza en distintos puntos del baño simultáneamente.

• Crece y se desarrolla hasta que choca con otra porción de material que solidifica.

• La porción que solidifica se llama “grano”.

• El grano esta rodeado por el “borde de grano”.

• El material que forma el grano es “homogéneo” y tiene “una única” composición química

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El Grano metálico

• El borde de grano:

– Es el lugar donde solidifican finalmente todas las impurezas y permanece en equilibrio inestable.

– Es el lugar donde cambian de dirección los planos cristalográficos. – Constituyen sitios que tienden a trabar los deslizamientos atómicos. – Los materiales con mucho borde de grano o grano fino son menos

deformables plásticamente.

– Presentan mayor resistencia mecánica.

– Se obtiene mayor tenacidad (resistencia al choque)

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El Grano metálico

Temperatura de equicohesión

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El Grano metálico

• Temperatura de equicohesión:

– El aumento de la resistencia debido al achicamiento del grano se cumple hasta determinadas temperaturas.

– A altas temperaturas esta resistencia disminuye, y es cero a la temperatura de fusión.

– En el cristal que forma el grano hay una cierta cohesión que posibilita el ordenamiento.

– Al bajar la temperatura el grano y el borde de grano aumentan su resistencia.

– A la temperatura de equicohesión ambas resistencias son iguales. – Por encima, la resistencia del grano es mayor que la del borde – Por debajo, la resistencia del grano es menor que la del borde de

grano.

– Arriba de la temperatura de equicohesión la fractura se produce por los bordes de grano y se llama intercristalina o intergranular

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El Grano metálico

Imagen SEM de la fractura mixta transgranular (clivaje) e intergranular de un acero al Cr-Ni

(ASM Handbook, Vol 12, Edición 1992, Fig. 609) 31 µm

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Aleaciones

Aleación:

sustancia metálica compuesta por dos o más

elementos. Ejemplo: acero, Fe + C

Solución sólida:

fase con estructura cristalina

homogénea que contiene dos o más especies químicas.

Hay dos tipos de soluciones sólidas: sustitucionales e

insterticiales.

Soluto:

un componente de una solución sólida que se

encuentra en baja concentración. El soluto esta disuelto

en un solvente.

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Aleaciones

• Solución sólida:

intersticial: el soluto se ubica en sitios intersticiales de la red

cristalina el tamaño del soluto es pequeño es relación al solvente

Por ejemplo: el C, H, O, N y B son solutos intersticiales del Fe

sustitucional: el soluto ocupa lugares de la red cristalina que le

corresponden a los átomos del solvente, es decir lo sustituye. Para que ocurra esto se debe cumplir:

• la diferencia relativa del tamaño de los átomos sea menor a 15% • la estructura cristalina debe ser la misma

• cuanto más amplia es la diferencia entre electronegatividades mejor • cuanto mayor sea la valencia del soluto más fácil será su disolución

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Aleaciones

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Aleaciones

Elementos de aleación intersticiales en Fe

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Al ser más pequeños pueden ser elementos de aleación

intersticiales del Fe ¿Y el F, S y He?

(Bhadeshia y Honeycombe; Steels – Microstructure and properties; Elsevier; 2006)

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Aleaciones

¿Qué sucede cuando no hay solución sólida?

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Aleaciones

• ¿Cuál de los siguientes elementos esperaría que sean solubles en Cu?

Elemento Radio

[nm]

Estructura

Electrone-gatividad Valencia Límite máx. solubilidad [%]

Cu 0,1278 FCC 1,9 1 100

Zn 0,1332 HCP 1,6 2 39

Sn 0,1400 tetragonal 1,8 4 15,8

Al 0,1431 FCC 1,5 1 9,4

Fe-α 0,1241 BCC 1,8 2 4,1

Ni 0,1246 FCC 1,8 1 100

Ag 0,1445 FCC 1,9 1 8

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1. Elementos intersticiales en Fe 2. Elementos substitucionales en Fe 3. Elementos sin solubilidad en Fe

b elementos que pueden tener solubilidad completa en ciertas temperaturas (Cahn & Haasen, Vol 2, 1996)

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Aleaciones

• Los metales puros teóricamente tienen una estructura cristalográfica simétrica perfecta, a raíz de esto son los mas plásticos y mejores conductores del calor y la electricidad.

• Las aleaciones introducen distorsiones en la red cristalina, sean estas pequeñas o importantes provocan una alteración en las propiedades de los metales puros: aumento de la resistencia mecánica, disminución de la conductividad.

• Por ejemplo: el latón (Cu – Zn), con poco porcentaje de Zn (30 %) es fácilmente deformable en frío, con porcentajes mayores no se puede deformar en frío, se vuelve quebradizo

Latón 70/30 : latón de cartuchería. Cu electrolítico,

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Aleaciones

Límite de solubilidad:

es la máxima concentración de

soluto que puede agregarse sin que se genere una nueva

fase.

• Este límite varía con la composición del sistema, la temperatura, la presión, el tiempo...

• Por ejemplo: el límite máximo de solubilidad del C en Fe es

aproximadamente 0,02%, si se supera este límite entonces se forma una nueva fase: Fe3C.

• Si tenemos una mezcla de dos tipos de solución sólida αy β,

generalmente corresponde una estructura cristalografica a αy otra a β.

Los trozos de cristal (granos) αconstituyen una fase y los βotra fase.

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Límite de solubilidad de C y N en Fe

(Bhadeshia y Honeycombe; Steels – Microstructure and properties; Elsevier; 2006)

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Aleaciones

¿Qué es una fase?

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Aleaciones

Fase:

es una porción homogénea de un sistema que tiene

características físico-químicas uniformes.

• Una característica físico-química es su estado como materia: fase líquida

• Otra característica puede ser su estructura cristalina o su composición química

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Aleaciones

• Si tenemos una mezcla de ambos cristales, existirán interfases entre ambos que interrumpen la continuidad del material trabando los posibles deslizamientos de los planos atómicos

disminuye la deformación plástica. disminuye la conductividad eléctrica.

• Por ejemplo: el bronce, aleación de Cu y Sn:

Con 10% de estaño se puede deformar fácilmente por estampado, (aleación α)

Con porcentajes del 30% de Sn o más, es frágil se debe usar en estado de colada no se puede deformar (aleación α+ γ)

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Aleaciones

• Se definen los sitios de interfases como zonas límite entre dos estructuras cristalográficas diferentes, su influencia se manifiesta en:

– el aumento de la resistencia mecánica ( al trabar el deslizamiento de los planos atómicos)

– hay una disminución eventual de la resistencia dinámica (al choque), por sus valores de cohesión, pueden resultar zonas de fragilidad.

Estructura eutéctica y compuesto intermetálico Fundición blanca hipoeutéctica

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Aleaciones

• Si los componentes tienen distintas temperaturas de solidificación. Las distintas fases del material se forman en momentos diferentes.

• Si el proceso de solidificación es lento obtenemos granos bien

conformados en su estado de equilibrio estable. Pueden obtenerse altos valores de plasticidad.

Estructura de un acero de medio carbono enfriado rápidamente. (estructura martensítica)

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Aleaciones

Cuando las distintas fases de una aleación aparecen simultáneamente o sea coprecipitan, se forman estructuras de poca plasticidad,

denominadas eutécticas.

Estructura Eutéctica o de Coprecipitacion

Fundición blanca eutéctica

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Aleaciones

Los metales puros y las soluciones sólidas pueden ser deformadas plásticamente, estampado, trafilado, repujado, laminado en frío, etc. estas operaciones se pueden realizar en frío, en este caso los granos

cristalográficos se alargan en el sentido de la deformación, esta distorsión impide una deformación posterior, se dice que se produce un

endurecimiento por deformación plástica en frío.

Estructura de un acero de bajo carbono SAE 1010 laminado en frío (granos alargados)

Estructura de laminado en frío

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Aleaciones

Compuesto intermetálico

: compuesto de dos metales que

tiene una formula química definida. Sobre un diagrama de

fase aparecen entre fases en un rango de composición

bastante acotado.

– Estos compuestos generalmente poseen uniones atómicas covalentes.

– Constituyen compuestos rígidos y duros que se oponen a la deformación plástica. Son además difíciles de mecanizar y forman interfases frágiles con el resto del material.

– En general las aleaciones que las contienen son frágiles.

– Por ejemplo Cu-Zn forman un compuesto intermetálico de estructura BCC de composición 45,5-50,7 %Zn

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Aleaciones

Compuesto intersticial

: compuesto de un metal de

transición y un elemento, habitualmente intersticial, (C, H, O,

N, B) que tiene una formula química definida. Sobre un

diagrama de fase aparecen entre fases en un rango de

composición bastante acotado.

– Adicionalmente al compuesto intersticial, estos átomos pequeños forman soluciones sólidas intersticiales con cada uno de estos elementos de transición.

– Los compuestos intersticiales pueden altos puntos de fusión y son extremadamente duros.

– Ejemplos de ellos son: TiC, TaC, Fe3N, Fe3C, W2C, CrN, TiH. Muchos de estos compuestos son útiles para el endurecimiento del acero y en las herramientas de carburo cementado.

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Aleaciones

Material Babit (antifricción) Compuesto intermetálico

Acero p/ herramientas K 100 Compuesto intermetálico

Carburos de Cr Antimonio ( Sb)

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Aleaciones

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Aleaciones

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Preguntas

1. ¿Qué es una estructura cristalina?

2. ¿Cuántos sistemas cristalinos conoce? ¿Cómo se caracterizan? ¿Cuáles se observan habitualmente en los metales puros? 3. Mencione las variantes que tienen los sistema cúbicos,

hexagonal y tetragonal.

4. ¿Qué significa FCC y BCC? Dibuje la celda unitaria de cada una. 5. Mencione tres características físicas que puedan ser

determinadas por la estructura cristalina.

6. ¿Cómo se llama la propiedad de ciertos materiales de existir en más de una estructura cristalina?

7. ¿Qué es un grano?

8. ¿Por qué podría darse una fractura integranular?

9. Una fractura por clivaje, ¿es intergranular o transgranular? 10. ¿Qué tipo de sistema cristalino tiene el borde de grano de un

aluminio? 47

Preguntas

11. ¿Qué es la temperatura de equicohesión? 12. ¿Qué es una aleación?

13. ¿Qué se entiende por solución sólida y cuáles son los tipos que existen?

14. ¿Qué pasa si no hay solución sólida?

15. ¿Cuáles son las condiciones que favorecen a una solución sólida sustitucional?

16. ¿Cuáles son los solutos intersticiales del Fe?

17. Mencione tres propiedades de un metal que se vean alteradas por el aumento de soluto en solución sólida.

18. ¿Qué significa límite de solubilidad? ¿Qué sucede si se excede este límite? ¿De qué depende?

19. ¿Que es una fase? Mencione 5 ejemplos. 20. ¿Qué es un compuesto intermetálico?

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Preguntas

21. ¿Cuál de los siguientes elementos no es soluto intersticial del Fe?

a. C

b. S

c. N

d. B

22. ¿Cuál de las siguientes características no se ve alterada por el aumento de soluto en solución sólida?

a. resistencia mecánica

b. conductividad eléctrica

c. composición química

d. nivel de imperfecciones

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Preguntas

23. ¿Qué significa alotropía?

a. Sólido elemental que tiene varias fases en un mismo sistema

b. Que, dependiendo de la temperatura y presión, puede tener

diferentes estructuras cristalinas

c. Que las propiedades dependen de la dirección en que se midan

d. Que esta conformado de más de un grano

24. ¿Cuál de las siguientes no es propio de un compuesto intersticial?

a. Tiene una formula química definida

b. Está formado por dos metales de transición

c. Está formado por un metal de transición y C, H, O, N ó B

d. En un diagrama de fase aparece en un rango bastante acotado de

composición

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Preguntas

25. Si el soluto ocupa lugares de la red cristalina que le corresponden a los átomos del solvente, se dice que es:

a. compuesto intersticial

b. solución sólida sustitucional

c. compuesto intermetálico

d. solución sólida intersticial

e. borde de grano

26. ¿Qué se entiende por límite de solubilidad?

a. límite entre dos porciones homogéneas de un sistema que tienen

características físico-químicas uniformes y distintas

b. límite entre dos cristales individuales en un material policristalino c. límite entre un compuesto intermetálico y una solución sólida

sustitucional

d. es la máxima concentración de soluto que puede agregarse sin que

se genere una nueva fase

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Preguntas

26. ¿Qué se entiende por límite de grano?

a. límite entre dos porciones homogéneas de un sistema que tienen

características físico-químicas uniformes y distintas

b. límite entre dos cristales individuales en un material policristalino c. límite entre un compuesto intermetálico y una solución sólida

sustitucional

d. es la máxima concentración de soluto que puede agregarse sin que

se genere una nueva fase

27. ¿Qué se entiende por interfase?

a. límite entre dos porciones homogéneas de un sistema que tienen

características físico-químicas uniformes y distintas

b. límite entre dos cristales individuales en un material policristalino c. límite entre un compuesto intermetálico y una solución sólida

sustitucional

d. es la máxima concentración de soluto que puede agregarse sin que

se genere una nueva fase

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Preguntas

28. ¿Cuál de los siguientes elementos presenta alotropía? Indicar que tipo de estructura tienen.

a. Titanio

b. Aluminio

c. Circonio

d. Cobre

e. Hierro

29. ¿Por dónde ocurre la fractura si se dice “fractura transgranular”?

a. por el límite entre dos fases b. por el límite entre dos granos

c. a través del límite entre un compuesto intermetálico y una solución sólida sustitucional

d. a través del grano

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Preguntas

30. ¿En cuál de las siguientes estructuras cristalina no existe el hierro?

a. FCC

b. BCC

c. Cúbica simple

d. Hexagonal compacta

e. Cúbica centrada en las caras

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