Modificación de las propiedades de los metales

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Modificación de las

propiedades de los

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1. Generalidades acerca de los metales

Propiedades comunes de los metales:

- Elevada conductividad térmica y eléctrica.

- Considerable resistencia mecánica

- Gran plasticidad, ductilidad y tenacidad capacidad de deformarse antes

de experimentar rotura.

- Elevada maleabilidad

- Posibilidad de reciclado (ya que se pueden fundir y conformar de nuevo).

Estas propiedades se deben a enlace metálico presente en su estructura interna.

2. Estructura interna de los metales

Estado cristalino

Enlace metálico

Los átomos o iones del sólido se encuentran en una disposición que se repite en tres dimensiones.

Enlace predominante en la estructura de un metal.

Los electrones de mayor energía abandonan los átomos a los que pertenecen, pasando a formar una nube electrónica (no pertenecen a ningún átomo en concreto sino que son comunes a la red).

La nube de electrones posibilita el momento de electrones en el interior de sólido metálico, de ahí su elevada conductividad eléctrica y térmica.

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El ordenamiento atómico de los sólidos cristalinos se puede representar situando los átomos en el origen de una red tridimensional (red puntual tridimensional).

Celda unitaria: unidad repetida en el retículo cristalino.

El volumen y la orientación espacial de cada celda viene definido por tres vectores a, b , c caracterizados por

- sus módulos a,b,c

- los ángulos que forman entre si (α, β, γ)

Redes cristalográficas simples: los estudios cristalográficos han demostrado que para crear todas las posibles redes puntuales solo son necesarios siete tipos de celdas unitarias (celdas primitivas).

El físico Bravais demostró que también puede haber átomos fuera de los vértices dando lugar a celdas denominadas no primitivas.

Por tanto todas las estructuras reticulares se pueden describir mediante catorce celdas unidas. A estas redes se les denomina redes de Bravais.

-Sencillas

-Centradas en el cuerpo -Centradas en las caras -Centradas en la base.

La mayoría de los metales cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas:

a) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.

b) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio, plata,...

c) Redes hexagonales compactas (HCP): La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio.

Estructura

cristalina simple. Su celda unidad coincide con la red de Bravais

Estructura

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• INDICE DE COORDINACIÓN : 8

• NÚMERO DE ÁTOMOS POR CELDA: 2

• MÁXIMO EMPAQUETAMIENTO EN LA DIAGONAL CUBO

• FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO: (FEA) 0,68

Fracción del espacio ocupada por sus átomos.

Volumen ocupado por los átomos/volumen celda unidad

Indicador de la compacidad estructural

• NO ES UNA ESTRUCTURA TOTALMENTE COMPACTA Los átomos , considerados esferas rígidas, se encuentran

situados en los vértices y en el centro de un cubo.

El átomo central está rodeado de otros ocho indice de coordinación

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Estructura cristalina centrada las caras.

Los átomos se encuentran situados en los vértices y centros de las caras de un cubo.

• INDICE DE COORDINACIÓN: 12 (“cada átomo tiene 12 vecinos”)

• NÚMERO DE ÁTOMOS POR CELDA: 4

• MÁXIMO EMPAQUETAMIENTO EN LA DIAGONAL DE CARA

• FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO (FAE): 0,74

• ES UNA ESTRUCTURA COMPACTA: NO HAY MAYOR POSIBILIDAD DE EMPAQUETAMIENTO.

La celda unida es un prisma hexagonal en el que los vértices y los centros de las bases están ocupados por átomos y además en el centro de cada celda existen otros tres átomos.

• INDICE DE COORDINACIÓN: 12 (rodeado por 12 vecinos)

• NÚMERO DE ÁTOMOS POR CELDA: 4 (tres en el interior y doce en los vértices)

• MÁXIMO EMPAQUETAMIENTO cuando los átomos están en contacto según la arista de la base del prisma.

• FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO (FAE): 0,74

• ES UNA ESTRUCTURA COMPACTA: NO HAY MAYOR POSIBILIDAD DE EMPAQUETAMIENTO.

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Intersticios cristalinos

Utilidad del factor

de empaquetamiento atómico:

En el interior de los átomos existen huecos o intersticios.

Tipos

Octaédrico Tetraédricos

Rodeados de 6 átomos Rodeados de 4 átomos

Polimorfismo o alotropía

Alotrópía :

Fenómeno por el cual muchos elementos químicos pueden presentar diferentes estructuras cristalinas bajo diferentes condiciones de presión y temperatura.

Ejemplos: Hierro, cobalto, titanio (experimentan trasformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas y presión atmosférica).

Polimorfismo :

Igual fenómeno que la alotropía pero cuando se da en compuestos químicos. A presión atmosférica el

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Polimorfismo o alotropía

Alotrópía :

Fenómeno por el cual muchos elementos químicos pueden

presentar diferentes estructuras cristalinas bajo diferentes

condiciones de presión y temperatura.

Ejemplos:

Hierro,

cobalto,

titanio

(experimentan

trasformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas y

presión atmosférica.

Polimorfismo :

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3. Defectos de la estructura cristalina

Defectos Térmicos:

Defectos electrónicos:

Defectos atómicos:

A temperatura distinta del cero absoluto, los átomos están dotados de vibración (mayor cuanto mayor temperatura

Dilatación térmica

Al añadir átomos de valencia

Alteración de la nube de electrones

Materiales semiconductores (estructuras cristalinas de Si a las que se les añaden)

Tipo P Tipo N

Impurezas tipo P

(mat. con menor valencia crean zonas deficitarias en electrones)

Boro Galio

Impurezas tipo N

(mat. con valencia superior crean zonas ricas en

electrones) Fósforo, Arsénico

Fallos o alteraciones en la disposición espacial. Son los más importantes d.p.v. metalúrgico

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3.1. Defectos atómicos puntuales.

Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos.

 Átomos intersticial es:

 Lugares vacantes o

lagunas.

 Átomos extraños atómicos:

Átomos situados en un punto que no pertenece a la red. Se sitúan en los huecos de la red cristalina.

Puntos de la red vacios donde no hay átomos.

Átomos

diferentes de los que forman la red que se sitúan tanto en puntos reticulares como en huecos.

Las lagunas y los átomos intersticiales tienen lugar de forma espontánea

 poseen mayor estabilidad que la red perfectamente ordenada

 aumenta con la temperatura.

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Difusión

¿Cómo se mueven los defectos e impurezas en un cristal?

La agitación térmica de los átomos de un sólido puede provocar que los átomos se desplacen a través de la estructura cristalina.

Fuerza impulsora de la difusión  diferencia de concentraciones en el interior del solido.

Factores que facilitan la difusión:

• Al aumentar la Temperatura  se incrementa la agitación térmica la difusión se

produce más fácilmente.

• Presencia de lugares vacantes los átomos necesitan menor energía para saltar

de una posición a otra que para intercambiar posiciones.

• Pequeño tamaño de los átomos que se difunden.

Como los átomos intersticiales también se mueven entre huecos de la red, cuanto menor sea su tamaño en relación con los átomos de la red, mayor será la difusión.

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3.2. Defectos atómicos lineales.

La longitud del defecto lineal es varios órdenes de magnitud mayor que su anchura.

Los más importantes son las dislocaciones.

Distorsión de la red cristalina en torno a una línea.

En cuña

(Semiplano extra en la red) En hélice (Los planos

perpendiculares al defecto se enrollan en hélice)

La presencia de dislocaciones:

Disminuye su resistencia mecánica

Facilita la deformación plástica de un metal justifica la utilización de los metales como componentes estructurales

Confiere a un metal ductilidad.

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3.3. Defectos atómicos superficiales.

Tienen una profundidad pequeña, mientras que su anchura y longitud pueden ser mayores en varios órdenes de magnitud.

( O bien) Imperfecciones cristalinas ubicadas en un área determinada del material.

Los más importantes son:

Cristales o granos en los metales:

La formación de granos se debe al proceso De solidificación del metal.

Defectos de apilamiento

Límites de grano

Zonas ordenadas pero sin coincidencia de sus ejes cristalográficos.

.

Junta de grano (zona límite entre dos cristales o granos a nivel superficial Al enfriarse un metal en estado

líquido los átomos comienzan a ordenarse en el espacio (cristalizar). La cristalización comienza

simultáneamente en puntos

distintos provocando la aparición de granos (zonas ordenadas)

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3.3. Defectos atómicos superficiales.

La microestructura de los materiales y aleaciones metálicas depende de:

 Tamaño del grano

Forma del grano

Orientación del grano

Las juntas de grano consiguen un efecto endurecedor al restringir el movimiento de las dislocaciones cuanto menor sea el grano mayor resistencia

Normalmente desordenada  MATERIALES ISÓTROPOS

 Normalmente no predomina ninguna dimensión a menos que se conforme en frio y predominen formas alargadas.

Tras procesos de deformación plástica se puede producir una

orientación preferente  MATERIALES ANISÓTROPOS

Chapas de núcleos magnéticos de

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4. Soluciones sólidas

 Condiciones que debe cumplir toda aleación:

1. Los elementos que se mezclan deben ser totalmente miscibles en estado líquido para que al solidificar origine un producto homogéneo.

2. El producto resultante deber poseer carácter metálico (estructura interna igual a la de los metales).

 Las concentraciones de los componentes de una aleación se suelen expresar en tanto por ciento de masa (por ejemplo, aleación de hierro con 4,3 % de carbono)

 Las aleaciones usadas en la industria pueden ser:

 Simples (latón 30% cinc y 70% cobre)

 Complejas (aleaciones de níquel en motores a reacción de hasta 10 elementos)

 Soluciones sólidas: son las aleaciones más sencillas .

Tipos: De sustitución

De inserción

La mayoría de los metales se mezclan con otros metales o no metales para conseguir materiales de mayor dureza, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión u otras propiedades.

Aleaciones

Cristalizan en la misma red Cristalizan en distinta red

Disolvente Metal que interviene en mayor proporción

Metal cuya estructura cristalina es la misma que la de la aleación

Soluto Metal que interviene en menor proporción

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4.1. Soluciones sólidas de sustitución.

Los átomos del soluto sustituyen en algunos nudos de la red a los átomos del metal disolvente.

Para que exista solubilidad total en estado sólido, es decir, para cualquier proporción de disolvente y soluto, se tienen que cumplir varias condiciones:

• Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema. (Si cristalizaran en distinto tipo de red podría haber algo de solubilidad de uno en otro, pero sólo hasta una de terminada proporción de átomos, a este límite se le denomina límite de saturación).

• Ambos metales deben tener la misma valencia para que el número de electrones cedidos por un átomo de cada uno de ellos a la nube electrónica sea el mismo.

• Electronegatividad: las electronegatividades de los átomos del soluto y del solvente tienen que ser lo mas parecida posibles, mientras más parecido sean mayor es la probabilidad de formar la disolución sólida total. Luego cuanto más cerca se encuentren en la tabla periódica, es decir, menor afinidad química, mayor tendencia a formar solución sólida.

• Los diámetros atómicos de los materiales no deben diferir en más de un 15%.

El que se cumplan las condiciones anteriores no quiere decir que tengan que ser totalmente solubles en estado sólido

4.2. Soluciones sólidas de inserción.

Los átomos de soluto se insertan en los huecos o intersticios existentes en la red cristalina del disolvente.

 Suelen formarse cuando la diferencia entre los diámetros de los átomos de disolvente y soluto en muy grande.

El tamaño del soluto depende de la red del disolvente, del tamaño de huecos de la red.

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5. Mecanismos de endurecimiento de metales.

 Endurecimi ento por deformació n en frío

 Endurecimi ento por afino de grano

 Endurecimi ento por solución sólida

La resistencia mecánica y dureza de una material dependen de la mayor facilidad con que se

mueven las dislocaciones bajo el efecto de una fuerza exterior.

A menor movilidad mayor resistencia mecánica M eca nism os pa ra e nd urece r las alea cion es m etá lica s

La deformación plástica origina un incremento en la densidad de las dislocaciones endurecimiento.

Los materiales sometidos a deformación en frío presentan un estado denominado agrio o con acritud caracterizado por:

-Alta resistencia mecánica -Baja ductilidad

-Extremada fragilidad

Las juntas de grano actúan como barreras impidiendo el movimiento de las dislocaciones  cuanto menor es el grano, mayor la longitud de las juntas de grano y mayor resistencia (mayor límite elástico).

Las soluciones sólidas presentan mayor dureza que el metal original

Causa:

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