Tecnologa de los Materiales

Ing . Gianny Melina Cancino Mndez

Tecnologa de MaterialesPlan de EstudioU1.- Estructura Cristalina de los MaterialesU2.- Propiedades Mecnicas y Fsicas de los Materiales U3.- Materiales MtalicosU4.- modificacin de la Estructura CristalinaU5.- Materiales No Metlicos U6.- Corrosin y DeterioroEstructura y Arreglo CristalinoMateriales: Los materiales se clasifican en varios grupos: mtales, cermicos, polmeros, semiconductores, y compuestos.Los materiales Metlicos poseen una estructura cristalina.El arreglo de tomos en una estructura cristalina influye en el comportamiento de un material.

Estructura y Arreglo CristalinoEstructura: La estructura de un material se puede considerar en diferentes niveles: Disposicin de los ElectronesArreglo de los tomos, es decir su estructura cristalina

Estructura Cristalina Cubica Simple

Estructura y Arreglo CristalinoEl arreglo atmico juega un papel importante en la determinacin de la microestructura y en el comportamiento de un material slido.Por ejemplo: El arreglo atmico del Al proporciona buena ductibilidad, en el Fe es la causa de una buena resistencia

Estructura y Arreglo CristalinoLos tomos forman un patrn repetitivo, regular en forma de rejillas o de red La Red: es un conjunto de puntos, conocidos como puntos de red que estn organizados siguiendo un patrn peridico. Uno o ms tomos quedan asociados a cada punto de red

Estructura y Arreglo CristalinoLa Celda Unitaria es la subdivisin de la red cristalina que sigue conservando las caractersticas generales de toda la red.

Celda Unitaria = Estructura Cristalina

Estructura y Arreglo CristalinoSe han identificado 14 tipos de celdas unitarias o redes de Bravais

Estructura y Arreglo CristalinoCaractersticas de los siete sistemas cristalinos

Estructura y Arreglo Cristalino

Estructura y Arreglo CristalinoCP o CS: Cubica Primitiva o Cubica Simple

En CS seis tomos tocan a cada tomo

Estructura y Arreglo CristalinoCC: Cubica Centrada en el Cuerpo

En CC los ocho tomos de esquina tocan al tomo centrado en el cuerpo

Estructura y Arreglo Cristalino

Estructura y Arreglo CristalinoDe las siguientes figuras: CS CC CCC

Eje:Puntos de la red = (8 esquinas)(1/8)=1 tomos/celda Celda Unitaria Puntos de la red = (8 esquinas)(1/8)+(1 centro)(1)= 2 tomos/celda Celda Unitaria Puntos de la re = (8 esquinas)(1/8)+(6 caras)(1/2)=4 tomos/celda Celda Unitaria

Estructura y Arreglo CristalinoDensidad: La densidad terica de un metal se puede calcular utilizando las propiedades de la estructura cristalina. La frmula general es: Densidad =(tomo/celda)(masa atmica de cada tomo) (volumen de la celda unitaria)(nmero de avogadro)

Estructura y Arreglo CristalinoEjemplo: Determine la densidad del hierro CC, que tiene un parmetro de red de 0.2866 nmtomos/celda=2 atomos/celdaa0=0.2866 nm= 2.866 x 10-8 cmMasa atmica= 55.847 g/molVol celda unitaria=a0 3 = (2.866 x 10-8 cm) 3=23.54 x 10 -24 cm3/celda Numero de Avogadro=6.02x10 23 atmos/molSustituyendo en la formulaDensidad=7.882 g/cm3Imperfecciones

IMPERFECCIONES DE LA ESTRUCTURA CRISTALINALa resistencia real de los metales es aproximadamente uno o dos ordenes menor que los niveles de resistencia obtenida a partir de clculos tericos; esta discrepancia se ha explicado en trminos de defectos e imperfecciones en la estructura cristalina. A diferencia de los modelos ideales ya descritos, los cristales metlicos reales contienen un gran numero de defectos e imperfecciones.

ImperfeccionesEn todos los materiales el arreglo de los tomos contiene imperfecciones que tienen un efecto profundo sobre el comportamiento de los materialesExisten tres tipos bsicos de imperfecciones:Defectos PuntualesDefectos lineales (dislocacin)Defectos de superficie

ImperfeccionesLos defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quiz varios tomos, estos defectos pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los tomos al ganar energa por calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introduccin de impurezas, o intencionalmente a travs de las aleaciones. El defecto puntual ms simple es la vacante, hueco creado por la prdida de un tomo que se encontraba en esa posicin.

Imperfeccionestomo Intersticial: Es cuando se inserta un tomo adicional en una posicin normalmente desocupada. Son tomos mas pequeos que los que se encuentran en los puntos de red, pero mayores que los sitios intersticiales que ocupan y como consecuencia la red circundante parece comprimida y distorsionada

Imperfeccionestomos Sustitucionales: Es cuando un tomo remplaza a otro de un tipo distinto. Cuando estos tomos son mayores que los normales de la red los tomos circundante se comprimen y si son pequeos los tomos circundantes quedan en tensin.

ImperfeccionesDefecto Frenkel: Intersticio-vacancia formado cuando un ion salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial, dejando atrs una vacancia

ImperfeccionesDefecto Schottky: Es una par de vacancias en un material de enlace inico; deben faltar tanto un anin como un catin de la red si se ha de preservar la neutralidad elctrica del cristal.

ImperfeccionesImportancia de los Defectos Puntuales: Estos defectos alteran el arreglo perfecto de los tomos circundantes, distorcionando la red a lo largo de quiz cientos de espaciamientos atmicos ImperfeccionesEjercicio: Calcula la vacancia por celda unitaria se te dicen que se tiene una vacancia por cada 200 celdas unitarias Conceptos de CeldasQue es el Parmetro de red: Describe el tamao y forma de la celda unitaria. En un sistema cristalino cbico, solamente es necesaria la longitud de uno de los costados del cubo para describir por completo la celda (se suponen ngulos de 90)

Conceptos de CeldasQue es el Parmetro de red: hace referencia a la distancia constante entre las celdas unitarias en una estructura cristalina. Las estructuras o redes en tres dimensiones generalmente tienen tres parmetros de red, a, b y c. Sin embargo, en el caso especial de redes cbicas, todos los parmetros son iguales, con lo cual nos referimos a ellos como a. Del mismo modo, en las estructuras cristalinas hexagonales, los parmetros a y b son iguales, por lo que nicamente consideraremos a y c.

Conceptos de CeldasPuntos de Red: cada celda unitaria est definida por un numero especifico de puntos de red. Un punto de red es la esquina de una celda unitaria esta compartido por siete celdas unitarias adyacentes y solo la octava parte de la esquina corresponde a una celda en particular

ImperfeccionesEjercicio: El parmetro de red de cobre CCC es de 0.36151 nm. El numero de tomos de cobre o puntos de redPor cm3 es:Donde n= numero de tomos del metal V= Volumen de la celda

ImperfeccionesLas Vacancias se crean en el cristal durante la solidificacin a altas temperaturas o como consecuencia de daos por radiacinA temperatura ambiente aparecen pocas vacancias pero estas se incrementan de manera exponencial conforme se aumenta la temperatura

ImperfeccionesEjercicio: Encuentre el numero de vacancias del cobre CCC a temperatura ambiente (25C), Se requieren aproximadamente 20000 cal/mol para producir una vacancia en el cobre donde:R= Constante de los Gases = 1.987Q= Energa requerida para producir una vacancia T= Temperatura Absoluta en grados Kelvin KK=C+273

Imperfecciones

Del resultado del ejercicio anterior se desea producir 1000 veces la cifra 1.815x 108 vacancias/cm3. esto se puede lograr calentando el cobre a una temperatura a la cual se forme este numero de vacanciasSi sabemos que para formar una vacancia en el cobre se requiere de 20000 cal/mol

N=8.47 x 1022 tomos de cobre/cm3Q=20000R=1.987T=?CONCLUSIONESAl calentar el cobre ligeramente por encima de 100C y a continuacin enfrindolo rpidamente hasta la temperatura ambiente la cantidad de vacancias atrapadas en la estructura podra ser 1000 mayor a la cantidad de vacancias a temperatura ambiente

ImperfeccionesDefectos Lineales (Dislocaciones): Son imperfecciones lineales en una red que de otra forma sera perfecta. Generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidificacin de un material o al deformarlo. las dislocaciones son defectos de la red cristalina de dimensin uno, es decir, que afectan a un a fila de puntos de la red de Bravais

ImperfeccionesDislocacin Tornillo: Se llama as debido a la superficie espiral formada por los planos atmicos alrededor de la lnea de dislocacin y se forman al aplicar un esfuerzo. La parte superior de la regin frontal del cristal desliza una unidad atmica a la derecha respecto a la parte inferior. En este caso, el vector de Burgers (b )es paralelo al plano que contiene la dislocacin y perpendicular al plano de deslizamiento.

ImperfeccionesDislocaciones de borde: Se puede ilustrar haciendo un corte parcial a travs de un cristal perfecto, separando y rellenando parcialmente el corte con un plano de tomos

ImperfeccionesDeslizamiento: Es el proceso mediante el cual se mueve una dislocacin causando que se deforme un material. La direccin en la cual se mueve la dislocacin esta dada por el Vector de Burgers

ImperfeccionesEl efecto del deslizamiento le da ductibilidad a los metles. Si no hay dislocaiones presentes, una barra de hierro, sera frgil; los mtales no podran ser conformados utilizando los diversos procesos, que involucran la deformacin para obtener formas tiles como la forja.

ImperfeccionesDefectos de Superficie: Son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalogrficas diferentes

ImperfeccionesFronteras de Grano: Los metales que comnmente se utilizan para la manufactura de diversos productos constan de mucho cristales individuales orientados al azar (granos) por lo tanto las estructuras metalicas no son monocristalinas sino policristalinas muchos cristalesLa siguiente figura muestra de manera esquemtica 3 granos

ImperfeccionesCuando una masa de metal fundido comienza a solidificar, los cristales empiezan a formarse independientemente unos de otros en varios lugares dentro de la masa liquida, tienen orientaciones al azar y sin relacin unas con otras. Despus cada una de ellos crece es una estructura cristalina o grano

ImperfeccionesTamao de Grano: Influye de modo significativo en las propiedades Mecnicas de los metales. A la temperatura ambiente, por ejemplo tamao grande se asocia a en general con resistencia, dureza y ductilidad Bajas.Los granos pueden ser tan grandes que se pueden ver a simple vista como los del zinc en la superficie galvanizada de las hojas de acero

Los tamaos de granos entre 5 y 8 son considerados como finos un tamao de grano 7 es aceptable para la fabricacin de carroceras automotrices

IMPERFECCIONESEstos defectos afectan de manera adversa las propiedades Mecnicas y Elctricas de los Metales, como el esfuerzo de fluencia, la resistencia a la fractura y la conductividad elctrica a estas propiedades se les conoce como propiedades sensibles a la estructuraIMPERFECCIONESPor otra parte las propiedades Fsicas y Qumicas, como el punto de fusin, el calor Especifico, el coeficiente de dilatacin Trmica y las constantes elsticas como los mdulos de elasticidad y de rigidez no son sensibles a estos defectos se les llama propiedades insensibles a la estructuraImperfeccionesImperfeccionesImperfecciones