03 Estructura Interna de Los Materiales

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL Departamento Departamento de Ingeniería Civil Cátedra Cátedra Tecnol ogía de los Materiales Unidad Temática N°3 “Estructura interna de los materiales”

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UNIDAD TEMÁTICA N°3 “ ESTRUCTU ESTRUCTURA RA INTERNA DE LOS MATERIALES” 1. TIPOS DE MATERIALES. MATERIA LES. DISTINTAS CLASIFICACIONES CLA SIFICACIONES Existen diferentes formas de clasificar a los materiales, muchas de ellas en función de las respectivas propiedades y características. Una de las más aceptadas los clasifica generalmente en cinco grupos: • Metales. • Cerámicos. • Polímeros. • Semiconductores. • Materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintivas.

1.1 Metales Tien Tienen com como car caract acteríst erístic ica a un una bu buena ena con conductiv ctivid idad ad eléc elécttrica ica y tér térm mica, ica, alt alta a res resist isten enci cia a mecánica, rigidez y ductilidad. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales. Las aleaciones (combinaciones de metales y no metales) conceden alguna propiedad particularmente deseable en mayor proporción o permiten una mejor combinación de propiedades.

1.2 Cerámico Cerámicoss Tien Tienen baj baja a con conductiv ctivid idad ad eléc elécttrica ica y tér térmica ica por lo cual cual son usa usad dos a menu enudo com como aislantes. Son resistentes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Nuevas técnicas de procesos consiguen que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que puedan ser utilizados en aplicaciones de carga. Dentro de este grupo de materiales se encuentran la cerámica roja (ladrillo, tejas, etc.), el vidrio, la porcelana y los refractarios.

1.3 Polímero Polímeross Son grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Tienen baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia. Los polímeros termoplásticos, en los que las cadenas moleculares no están conectadas de manera rígida, tienen buena ductibilidad y conformabilidad; en cambio, los polímeros termoestables son más resistentes, a pesar de que sus cadenas moleculares fuertemente enlazadas los hacen más frágiles. Tien Tienen múltip ltiple les s ap aplica licaci cion ones es..

1.4 1.4 Semiconduc tores Su conductividad eléctrica puede controlarse para su uso en dispositivos electrónicos. Son muy frágiles.

1.5 Materiales compuestos Como su nombre lo indica, están formados a partir de dos o más materiales de distintos grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.

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2. RELACIONES ENTRE ESTRUCTURA, PROPIEDADES Y PROCESAMIENTOS. LA MATERIA. EL ÁTOMO, DISTINTOS TIPOS DE ÁTOMOS Tanto la composición como la estructura de un material tienen una influencia muy importante sobre sus propiedades y su comportamiento. Los ingenieros y los científicos que estudian y desarrollan materiales deben comprender su estructura atómica. Veremos que las propiedades de los materiales se pueden controlar y que, en realidad, se pueden adaptar a las necesidades de determinada aplicación, mediante el control de la estructura y su composición. La estructura de los materiales se puede examinar y describir en cinco niveles diferentes: • Macroestructura • Microestructura • Nanoestructura • Estructura atómica • Arreglos atómicos de corto y largo alcance

2.1 Macroestructur a La macroestructura es la estructura del material a nivel macroscópico, donde la escala de longitud es aproximadamente mayor a 1000nm (nanómetros). Entre las propiedades que constituyen la macroestructura están la porosidad, los recubrimientos superficiales y las microfisuras internas o externas.

2.2 Microestr uctur a La microestructura es la estructura del material a una escala de longitud de aproximadamente 10 a 1000nm. La escala de longitud es una longitud o intervalo de dimensiones características dentro de la que se describen las propiedades o los fenómenos que suceden en los materiales. En el caso normal, la microestructura comprende propiedades como el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la orientación de los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos en los materiales (un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico).

2.3 Estructura atómi ca También es importante comprender la estructura atómica y la forma en que los enlaces atómicos producen distintos arreglos atómicos o iónicos en los materiales. La estructura atómica incluye todos los átomos y sus arreglos, que constituyen los bloques estructurales de la materia. A partir de estos bloques estructurales emergen todos los nano, micro y macroniveles de estructura. Las perspectivas obtenidas al comprender la estructura atómica y las configuraciones de enlace de los átomos y moléculas son esenciales para una buena selección de materiales de ingeniería, así como para desarrollar nuevos materiales avanzados.

2.4 Arreglos atómi cos de cor to y largo alcance Un examen detenido del arreglo atómico permite distinguir entre materiales que son amorfos (que carecen de un orden de largo alcance de los átomos o iones) o cristalinos (los que tienen arreglos geométricos periódicos de átomos o iones). Los materiales amorfos sólo tienen arreglos atómicos de corto alcance, mientras que los materiales cristalinos tienen arreglos de corto y largo alcance. En los arreglos atómicos de corto alcance, los átomos o los iones muestran determinado orden sólo dentro de distancias relativamente cortas. Para los materiales cristalinos, el orden atómico de largo alcance tiene la forma de átomos o iones ordenados en un arreglo tridimensional que se repite a lo largo

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de distancias mucho mayores (desde aproximadamente más de 100nm hasta algunos centímetros).

2.5 Ejemplo En el cuadro siguiente muestra las relaciones entre niveles, dimensiones y propiedades, por ejemplo para un motor.

Nivel estructu ral Macroestructura a r u t c u r t s e o r c i M

Granos

Dendritas y fases

Dimensiones

Algunas propiedades relacionadas

Centímetros

Potencia Eficiencia Costo

1 a 10 milímetros

Ductilidad Fatiga

50 a 500 micrones 3 a 100 nanómetros

Nanoestructura Celda unitaria Estructura atómica

1 a 100 ángstrom

Fluencia Resistencia a tracción Fatiga Fluencia Resistencia a tracción Fatiga Módulo de elasticidad Crecimiento térmico

2.6 Enlaces atómi cos Existen diferentes tipos de enlaces atómicos, a saber: 2.6.1 Enlaces metálicos En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina. Los electrones de valencia no están por lo tanto asociados férreamente a un núcleo en particular y así es posible que se extiendan entre los átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o gas electrónico. Los átomos en un enlace metálico sólido se mantienen juntos para lograr un estado de más baja energía (más estable). Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares electrónicos como en el enlace covalente o sobre la neutralidad de carga como en el enlace iónico. 2.6.2 Enlace de Van Der Waals Excepto en un gas muy dispersado las moléculas ejercen atracciones y repulsiones entre sí. Estas proceden fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo. En este caso los electrones de una molécula son débilmente atraídos hacia el núcleo de otra, pero entonces los electrones de ésta son repelidos por los electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y, en consecuencia, un dipolo incluido. Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de Van Der Waals. La distancia entre las moléculas juega un importante papel en la intensidad de dichas fuerzas.

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2.6.3 Enlace iónico Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muy electronegativos (no metales). En el proceso de ionización los electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos, produciendo cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente. Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de atracción electrostática entre iones con carga opuesta. 2.6.4 Enlace covalente Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace covalente. Mientras el enlace iónico involucra átomos muy electropositivos y electronegativos, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica. En el enlace covalente los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p como otros átomos, de modo que cada átomo alcanza la configuración de gas noble. En un enlace covalente sencillo cada uno de los átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones de enlace, y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas estables) como consecuencia de la interacción de los electrones.

3. METALES 3.1 Estructura cri stalina En los metales los átomos están siempre ordenados en forma cristalina, y se llama sistema cristalino precisamente a la ordenación de los átomos en proposiciones llamadas sistemas. Los sistemas cristalinos más comunes en metales son el cúbico y el hexagonal, y dentro del cúbico el cúbico de cuerpo centrado y el cúbico de caras centradas. Con menos frecuencia se presenta en los metales el sistema tetragonal. Estos esquemas se denominan celdas o células elementales. La distancia entre los átomos se llama constante de malla y vale de 2 a 7 armstrong. (A=10-8mm)

Sistema cúbico de cuerpo centrado

Sistema cúbico de caras centradas

3.2 Formación de los crist ales Cuando el metal o aleación se encuentra en estado líquido los átomos están dispuestos de manera desordenada y se desplazan unos con respecto a otros, es decir las distancias son variables. Al enfriarse el metal se empiezan a formar los cristales a partir de una célula elemental llamada germen alrededor de la cual se van adosando las otras celdas elementales y como las celdas primitivas están orientadas en general de distinta forma llega un momento en que llega a ponerse en contacto dos cristales o granos cristalinos dando un contorno irregular.


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3.3 Dislocaciones Se denominan dislocaciones a un desorden de la estructura atómica de los metales. Las dislocaciones producen alteraciones en las propiedades de los metales pero no siempre desfavorables, por ejemplo: sometiendo a un metal a un tratamiento mecánico en frío se producen una gran cantidad de dislocaciones que originan un aumento del límite de fluencia y de la resistencia del material pero disminuyendo su ductilidad.

3.4 Aleaciones De los elementos que figuran en la tabla periódica, alrededor de 80 pueden ser clasificados como metales. Todos ellos tienen en común que sus electrones más externos en un átomo neutro son cedidos fácilmente. Esta característica es la causa de su conductividad, tanto eléctrica como térmica, de su brillo y maleabilidad. El uso de metales puros es limitado, pues son blandos o tienden a corroerse. Sin embargo, toleran una considerable cantidad de elementos en estado sólido o líquido. Así, la mayor parte de los materiales metálicos comúnmente usados son mezclas de dos o más metales elementales. Es posible realizar estas mezclas de varias maneras, pero casi siempre se obtienen por la unión de metales por arriba de su punto de fusión. Esa mezcla sólida de metales o metaloides se denomina aleación. Las aleaciones se obtienen por enfriamiento de soluciones líquidas de dos o más metales y se obtienen por dos formas: • Por sustitución • Intersticiales La primera es cuando los átomos de un metal (soluto) ocupan los lugares de las celdas elementales del otro metal ocupadas anteriormente por los átomos de este último (solvente), el metal solvente conserva su estructura cristalina


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3.4.1 Diagramas de fase Un sistema de aleaciones es la unión de dos o más metales en todas sus combinaciones posibles, es decir, considerando todas las concentraciones posibles del metal A con el metal B. Un diagrama de fase es un esquema que muestra las fases y sus composiciones en cada temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos se puede elaborar un diagrama de fases binario. Cada fase tiene una composición expresada en porcentajes de cada uno de los elementos, expresados en peso. La curva superior en el diagrama es la temperatura de liquidus para las distintas aleaciones. Esto significa que la aleación debe calentarse por encima de la temperatura acotada por liquidus para hacerla completamente líquida y que empezará a solidificarse cuando se la enfríe hasta la temperatura marcada por liquidus. La temperatura de solidus es generalmente la curva inferior. Una aleación no estará totalmente sólida sino hasta que se enfríe por debajo de la temperatura de solidus. La diferencia de temperatura entre liquidus y solidus se denomina rango de solidificación. Dentro de este rango coexistirán dos fases: una líquida y otra sólida. El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases están presentes a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso de fabricación para un producto metálico. Figura: diagrama de fases isomorfo binario.

Figura: solubilidad del Zn en el Cu. La línea continua representa el límite de solubilidad; cuando se agrega más Zn, se rebasa al límite de solubilidad y coexisten dos fases.


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3.4.2 Diagramas binarios

3.4.3 Aleaciones eútecticas Un sistema eutéctico es aquel en el cual cierta combinación de los componentes presenta completa solubilidad en estado líquido, pero solubilidad sólida limitada, lo que significa que cuando una aleación eutéctica solidifica, los átomos de los metales componentes se segregan para formar regiones de los metales originales casi puros. Las aleaciones eutécticas son frágiles por que la presencia de las fases insolubles inhibe el deslizamiento. La resistencia y a veces la dureza de estas aleaciones llegan a sobrepasar las de los metales componentes, debido a la estructura compuesta de la aleación. Aparte, se denomina aleaciones hipoeutécticas a aquellas que cuya composición es menor que la correspondiente a las eutécticas, así como aquellas cuyo contenido es mayor son llamadas hipereutécticas. Figura: diagrama de fases con punto eutéctico


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3.4.4 Diagrama Fe-C El hierro α o ferrita es una solución sólida de carbono en hierro, con muy bajo contenido de carbono que a temperatura ambiente es de apenas 0,008%, cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y la constante de malla es de 1,86A. Es un material blando, de dureza Brinell 90, es magnético a temperatura que no supere los 780°C. Es muy oxidable, su resistencia a la tracción no supera los 3000kg/cm2. Por todas estas causas no es utilizado industrialmente. EL hierro γ o austenita cristaliza en el sistema cúbico de caras centrada, la constante de malla es de 1,90A, tiene mayor dureza que la ferrita, es menos oxidable, tiene mayor resistencia a los esfuerzos mecánicos y como máximo puede diluir 1,7% de C a 1130°C. El hierro δ cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado con una constante de malla de 1,93 A, no es usado en construcción. La cementita es una combinación química de hierro y carbono que responde a la fórmula Fe3C, se la llama también carburo de hierro, es más dura que la austenita y también más frágil, tiene una coloración clara casi blanca, es resistente a la oxidación, es muy poco magnética, puede contener hasta 6,67% de C.

3.4.5 Ejemplo de aplicación del diagrama Tomemos una aleación hierro-carbono de 0,20% de C (Acero SAE 1020). A una temperatura superior a 1535°C se encuentra esta aleación en estado de solución líquida, al disminuir la temperatura cristaliza en forma de hierro δ, si seguimos enfriando se convierte en austenita o hierro γ. Tomemos una temperatura de 980°C si se toma una recta horizontal se obtiene al interceptar con la línea SE un punto que proyectado sobre el eje x señala el % de C que tiene a esa temperatura el hierro γ (1,3% de C) Si seguimos enfriando llegamos a una temperatura de 840°C donde empieza la transformación de austenita en ferrita y se tiene una zona de austenita más ferrita, que si se desea determinar el contenido de C para ambos, se debe recurrir a trazar una recta horizontal y bajamos hasta el eje x, por ejemplo para 760°C se obtiene 0,09% de C en la ferrita y en la austenita 0,57% de C.

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