2Unidad

2.1 Propiedades de los Metales2.1.1 Estructura atómica y granos de

las estructuras metálicas

Mgtr. Mary Liz Vergara Apolinario mvergara@ecotec.edu.ec

MATERIALES METALICOS

OBJETIVO DE LA SESIÓN

• Conocer el origen de las propiedades de los metales

Por tanto…

Al finalizar la sesión, estará en capacidad de:

• Conocer porque los metales tienen diferentes atributos

ANALISIS METALOGRÀFICO

El análisis metalográfico (análisis microestructural) es una herramienta muyútil en la ingeniería de los materiales porque permite determinar lascaracterísticas estructurales, el tamaño de grano, forma de la red cristalina,distribución de fases componentes e inclusiones que tienen efecto sobre laspropiedades mecánicas de los metales.

Este análisis nos permite predecir el comportamiento de los materiales endiferentes condiciones de servicio

En la Ingeniería Mecánica los materiales comúnmente utilizados son losmetales y sus aleaciones debido a sus características y propiedadesmecánicas, por su buena conductividad eléctrica y térmica, unaresistencia relativamente alta, rigidez elevada, ductilidad oconformabilidad, resistencia al impacto y costo beneficio.

Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de carga.

Aunque en ocasiones se utilizan metales puros, las combinaciones demetales conocidas como aleaciones proporcionan mejoría en algunapropiedad particularmente deseable o permiten una mejorcombinación de propiedades

En estado sólido los átomos tienen un orden y posición definida, en talcaso se dice que tiene una estructura cristalina, es decir formancristales. Pero, ciertos materiales no presentan una posición definida alsolidificar y su estructura es desordenada, estos materiales conconocidos como materiales amorfos, ejemplo el vidrio.

Los metales son elementos cristalinos cuyos átomos están dispuestosen el espacio ocupando un orden geométrico determinado y formandouna red cristalina o red espacial la cual está constituida por celdillasiguales. La menor de las celdillas se denomina Celda Unitaria.

CELDA UNITARIA

Una celda unitaria es el menor conjunto de átomos que conservan las mismas propiedades geométricas de la red y que al repetirse muchas veces en el espacio forman la red cristalina.

Los sólidos cristalinos pueden optar por alguna forma de las 14 redes cristalinas o “redes de Bravais” existentes

1 CELDAS UNITARIAS CUBICAS (8:10)

En función de losparámetros de red, esdecir, de las longitudesde los lados o ejes delparalelepípedo elementaly de los ángulos queforman, se distinguensiete sistemas cristalinosy se dividen en: cúbico,hexagonal, tetragonal,trigonal, rómbico,monoclínico y triclínico.

REDES CRISTALINAS EXISTENTES

La mayoría de los metales y sus alecciones presentan cuatroestructuras: Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC), red cúbicacentrada en las caras (FCC), red hexagonal compacta (HCP) y redtetragonal centrada en el cuerpo.

2 ESTRUCTURAS COMPACTAS, PLANOS CRISTALOGRÁFICOS. ESTRUCTURAS CÚBICA CENTRADA EN CARAS Y HEXAGONAL (8:19)

CARACTERISTICAS DE LAS REDES CRISTALINAS

Indice de Coordinaciòn.- Es el número de àtomos que se encuentran màs próximos y equidistantes de un àtomodado.

Parámetros de Red.- Es la distancia entre estructuras cristalinas. Los parámetros de la red (a, b, c) se caracterizan por sus dimensiones en Angstroms. Para el caso de la estructura cúbica centrada el parámetro de red se calcula de la siguiente forma:

Se traza una diagonal al cubo en donde se encuentran los tres átomos en contacto tangencial, esto para la red cristalina BCC.

Densidad de compactación.- Es el volumen que pueden ocupar losátomos dentro de la red cristalina; considerando quecada átomo es de forma esférica se pude calcular elvalor en volumen mediante la ecuación

Átomos correspondientes a la celda unitaria,- Es el número de átomosenteros que corresponden a una celda unitaria, estenúmero de átomos depende del tipo de estructuracristalina, red cúbica centrada en el cuerpo BCC, redcúbica centrada en la cara FCC y hexagonal compactaHCP.

Factor de empaquetamiento atómico (fea),FEA en inglés: atomic packing factor, APF, es la fracción de volumen en

una celda unidad que está ocupada por átomos.

Este factor es adimensional. Para propósitos prácticos, el FEA de una celdaunidad se determina asumiendo que los átomos son esferas rígidas.

Con respecto a cristales de un componente (los que contienen un tipo deátomo único), el FEA se representa matemáticamente por:

.

Nátomos , es el número de átomos en la celda unidad,

Vátomo es el volumen de un átomo, y

Vcelda unidad es el volumen ocupado por la celda unidad

3 FACTOR EMPAQUETAMIENTO BCC (11:43)

Matemáticamente se puede probar que, para estructuras de uncomponente, el valor del FEA del arreglo más denso de átomos es dealrededor de 0.74.

En realidad, debido a factores intermoleculares específicos,esta cifra puede ser mayor. Referente a estructuras de componentesmúltiples puede exceder el 0.74.

4 CELDAS UNITARIAS CUBICAS (9:03)

INDICADORES DE UNA RED CRISTALINA

ESTADOS ALOTRÒPICOSAlgunos metales tienen la característica de que cambian de red decristalización dependiendo de la temperatura a que se encuentren,entonces se dice que el metal es politrópico, y a cada uno de lossistemas en que cristaliza el metal se le llaman estados alotrópicos.

En el hierro puro se distinguen cuatro estados alotrópicos:

TRANSFORMACIONES ALOTRÓPICAS DEL HIERRO

En esta gráfica podemos observar que, si se deja enfriar lentamente una muestra de hierro desde el estado líquido:

• Solidifica a 1535ºC

• Si se continua enfriando se aprecia una irregularidad en su velocidad de enfriamiento hacia los 1400ºC, debido a un desprendimiento espontáneo de calor.

• Ocurre lo mismo a los 898ºC y a los 750ºC.

A las temperaturas en que suceden estas transformaciones se les denomina puntos críticos:

• En el punto Ar4 (1400ºC) tiene lugar el cambio alotrópico de Fed a Feγ.

• En el punto crítico Ar3 (898ºC) se produce la transformación de Feγ a Feb.

• En el punto Ar2 (750ºC) se produce la transformación de Feb a hierro Fea.

Durante el proceso de cristalización, el crecimiento de los cristales quese inicia en los centros o núcleos de cristalización en el metal líquido,no puede ser uniforme a causa de diferentes factores, como son: lacomposición del metal, la velocidad de enfriamiento, la presión a quese ven sometidas las partículas y las interferencias que se producenentre ellos mismos durante el proceso de crecimiento.

La estructura final resultante se debe al agrupamiento de granos o cristales de forma irregular pero guardando cada uno una orientación fija y bien determinada, que se repite espacialmente.

La estructura final resultante se debe al agrupamiento de granos o cristales de forma irregular pero guardando cada uno una orientación fija y bien determinada, que se repite espacialmente.

PROPIEDADES DE LOS METALES

La mayoría de los metales son brillantes cuando se encuentran limpiasy libres de óxidos, tienen la capacidad de reflejar la luz

La mayoría de los metales son sólidos a temperatura ambiente,excepto mercurio, cesio, galio y francio que son líquidos a temperaturaambiente.

7 PROPIEDADES DE LOS METALES (4:46)

Actividad en clase:

• Revisar conceptos básicos• Ver videos de procesos aplicando los conceptos

aprendidos

Bibliografía de la sesión:

• Texto guía Capìtulo 1

Gracias