Trbajo de metalurgia fisica 1 UNA-puno

Universidad Nacional del Altiplano METALURGIA

FISICA 1 . Facultad de ingeniería geológica y metalúrgica Semestre V

DEDICATORIA

El siguiente trabajo es dedicado para los docentes de ingeniería metalúrgica por transmitirnos los conocimientos

necesarios día a día.

PRESENTACIÓN:

El siguiente trabajo es realizado con el fin de optar y nutrirnos más conocimientos sobre el curso de metalurgia física I y en

especial del tema de cristales.

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INDICE pág.

OBJETIVO…………………………………………………………………………….…3

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES………………………………….4

Estructura cubica centrada…………………………………………………… 4

BCC………………………………………………………………………………4

FCC………………………………………………………………………………4

HCP………………………………………………………………………………4

Estructura hexagonal compacta………………………………………………4

TIPO DE ESTRUCTURA………………………………………………………………5

Estructura cubica centrada…………………………………………………….5

BCC………………………………………………………………………………5

FCC………………………………………………………………………………6

Hexagonal compacta…………………………………………………………..8

CRISTALIZACION……………………………………………………………………...9

Modelo de cristalización en la solidificación de metales……………….….9

RESUMEN…………………………………………………………………….………..10

PROPIEDADES………………………………………………………………..………13

Peso específico………………………………………………………….…….14

Calor especifico…………………………………………………………..……14

Punto de fusión…………………………………………………………..…...14

Resistencia a la corrosión……………………………………………….…..14

La corrosión electrolítica…………………………………………………..…14

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………..15

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OBJETIVO:

Entender estructura cristalina a escala atómica: átomos ordenados de manera regular y repetitiva.

• Estructuras cristalinas de los metales.

• Metales que cristalicen en el sistema cubico BCC.

• Metales comunes que cristalicen en la forma hexagonal compacta.

• Metales representativos que pertenecen al sistema FCC.

• Conocer, aplicar y calcular los siguientes conceptos

– Propiedades

– Aleaciones

–estructuras metálicas etc.

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ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS METALES

Son comunes tres estructuras de redes cristalinas en los metales:

Estructura cúbica centrada.

Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio.

Estructura cúbica centrada en el cuerpo. (BCC)

Cada átomo de la estructura, está rodeado por ocho átomos adyacentes y los átomos de los vértices están en contacto según las diagonales del cubo

Estructura cúbica centrada en las caras

Está constituida por un átomo en cada vértice y un átomo en cada cara del cubo. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro gama, cobre, plata, platino, oro, plomo y níquel.

Estructura cúbica centrada en las caras. (FCC)

Cada átomo está rodeado por doce átomos adyacentes y los átomos de las caras están en contacto.

Estructura hexagonal compacta. (HCP) Esta estructura está determinada por un átomo en cada uno de los vértices de un prisma hexagonal, un átomo en las bases del prisma y tres átomos dentro de la celda unitaria.

Cada átomo está rodeado por doce átomos y estos están en contacto según los lados de los hexágonos bases del prisma hexagonal.

Los metales que cristalizan en esta forma de estructura son: titanio, magnesio, cinc, berilio, cobalto, circonio y cadmio.

Estructura hexagonal compacta.

Algunos metales sufren cambio de estructura a diferentes temperaturas como el hierro que se presenta como cúbico centrado a temperatura normal pero cambia a

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centrado en las caras a 912°C y vuelve a ser cúbico centrado a 1400°C; cuando un metal cambia su estructura de esta manera se dice que es alotrópico.

TIPOS DE ESTRUCTURAS.

Son comunes tres estructuras de redes cristalinas en los metales:

Estructura cúbica centrada.

Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio.

Esta estructura no está construida con planos densos, por lo tanto, posee menos densidad atómica que la hd y c.c.c.

La representación de la celdilla unitaria se observa en la figura 3.35a. Igualmente que en el c.c.c. el parámetro a, lado del cubo, define la celdilla. Su número de coordinación es solo ocho, pero en cambio tiene otros seis átomos a distancia poco mayor que la interatómica.

La dirección densa del sistema (c.c.), es la diagonal del cubo. Por tanto, el radio del átomo vendrá expresado por:

Estructura cúbica centrada en el cuerpo.

Cada átomo de la estructura, está rodeado por ocho átomos adyacentes y los átomos de los vértices están en contacto según las diagonales del cubo.

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Estructura cúbica centrada en las caras.

Está constituida por un átomo en cada vértice y un átomo en cada cara del cubo. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro gama, cobre, plata, platino, oro, plomo y níquel.

Posee una sucesión regular de planos densos del tipo ABCABCABC... Esta sucesión, así como la descripción de la celdilla unidad, puede observarse en la

figura 3.52b. Esta celdilla es descrita por solo un parámetro: el lado del cubo a. El número de coordinación es, igualmente al hd, de doce. La dirección densa es la de la diagonal del plano basal, y el radio del átomo viene expresado por:

El número de átomos por celdilla es cuatro.

Estructura cúbica centrada en las caras.

Cada átomo está rodeado por doce átomos adyacentes y los átomos de las caras están en contacto.


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Esta estructura está determinada por un átomo en cada uno de los vértices de un prisma hexagonal, un átomo en las bases del prisma y tres átomos dentro de la celda unitaria.

Cada átomo está rodeado por doce átomos y estos están en contacto según los lados de los hexágonos bases del prisma hexagonal.

Los metales que cristalizan en esta forma de estructura son: titanio, magnesio, cinc, berilio, cobalto, circonio y cadmio.

Figura 3.35.Celdas unitarias de las principales estructuras cristalinas metálicas:

a) cúbica centrada en el cuerpo, b) cúbica centrada en las caras, y c) hexagonal compacta.

Posee una sucesión regular de planos densos del tipo ABABABA..., o BCBCB..., o CACAC... como puede observarse en la figura 3.35c. Esta estructura se describe corriente-mente por su retículo unidad en el que cada punto representa el centro de la posición ocupada por un átomo. La celdilla queda descrita por los parámetros a y c. La dirección densa, situada en el plano basal, es la que pasa por el centro. El radio del átomo viene determinado en esta dirección según el modelo de esferas duras, por ra = a/2.

Con este modelo, la relación c/a debe ser 1,633, aunque con frecuencia encontramos valores aproximados que corresponden a estructuras deformadas como se observa en la tabla 3.4.

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Tabla 3.2. Energías y longitudes de enlace covalentes.

ElementoEstructur

a

Distancia interatómic

a (Å)

Relación

Axial

T (ºC)

Aluminio ccc 2.86Zinc HD 2.66 1.57

CobaltoHD cc

3.17 3.13

1.5920 867

Cobre ccc 2.55Cromo cc 2.50

Hierrocc ccc

2.48 2.58

20 950

Molibdeno

cc 2.79

Níquel ccc 2.49Plata ccc 2.88

Platino cc 2.77Plomo ccc 3.50

TitanioHD cc

2.89 2.89

1.6025 900

Vanadio cc 2.63Wolframi

occ 2.74

El número de coordinación, que se define como el número de átomos que contactan con cada uno, es en esta estructura de doce; y el número de átomos por celdilla es de seis.

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Algunos metales sufren cambio de estructura a diferentes temperaturas como el hierro que se presenta como cúbico centrado a temperatura normal pero cambia a centrado en las caras a 912°C y vuelve a ser cúbico centrado a 1400°C; cuando un metal cambia su estructura de esta manera se dice que es alotrópico.

CRISTALIZACION.

El crecimiento de los cristales que se inicia en los centros o núcleos de cristalización en el metal líquido, no puede ser uniforme a causa de los diferentes factores de la composición del metal, la velocidad de enfriamiento y las interferencias que se producen entre ellos mismos durante el proceso de crecimiento.

Modelo de cristalización en la solidificación de metales.

La estructura final resultante está constituida por un agrupamiento de granos o cristales de forma irregular pero guardando cada uno una orientación fija y bien determinada.

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Estructura granular del acero al carbono, granos poligonales bien definidos.

RESUMEN.

Se describen las características de las estructuras cristalinas en las que solidifica el hierro puro a diferentes temperaturas durante un enfriamiento lento, y las combinaciones que forman las mismas con el carbono. Se analiza también la transformación martensítica durante un enfriamiento rápido, se hacen ver las razones por las que la martensíta es la estructura básica del acero templado. La utilidad de estos conocimientos está en que son fundamentales para la comprensión y aprovechamiento del diagrama de estado Fe-Fe3C y para la impartición de materias tales como: Procesos metalúrgicos, Materiales en Ingeniería, Procesos de fabricación, Instalaciones mecánicas y materias afines.

La distribución atómica en sólidos cristalinos puede describirse mediante una red espacial donde se especifican las posiciones atómicas por medio de una celdilla unidad que se repite y que posee las propiedades del metal correspondiente.

Existen siete sistemas cristalinos basados en la geometría de las longitudes axiales y ángulos interaxiales de la celdilla unidad, con catorce subretículos basados en la distribución interna de ésta.

En los metales las celdillas unidad de las estructuras cristalinas más comunes son: cúbica centrada en el cuerpo (bcc), cúbica centrada en las caras ( fcc) y hexagonal compacta (hcp) que es una variación compacta de la estructura hexagonal simple.

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En estos sistemas cristalinos, las direcciones se indican por los índices de Miller, enteros positivos o negativos como [uvw], las familias de direcciones se indican por los índices ‹uvw›, los planos cristalinos se indican por los inversos de las intersecciones axiales del plano, con la transformación de las fracciones a los enteros proporcionales, (hkl), la familia de los planos se indican {hkl}.

En los cristales hexagonales los planos cristalográficos se indican como (hkil), estos índices son los recíprocos de las intersecciones del plano sobre los ejes a1, a2, a3 y c de la celdilla unidad hexagonal de la estructura cristalina; las direcciones cristalinas en los cristales hexagonales se indican como [uvtw].

Utilizando el modelo de la esfera rígida para los átomos, se pueden calcular las densidades atómicas volumétricas, planar y lineal en las celdillas unidad. Los planos en los que los átomos están empaquetados tan juntos como es posible se denominan planos compactos. Los factores de empaquetamiento atómico para diferentes estructuras cristalinas pueden determinarse a partir del modelo atómico de esferas rígidas. Algunos metales tienen diferentes estructuras cristalinas a diferentes rangos de presión y temperatura, este fenómeno se denomina alotropía.

Las estructuras cristalinas de sólidos cristalinos pueden determinarse mediante análisis de difracción de rayos X utilizando difractómetros por el método de muestra en polvo. Los rayos X son difractados por los cristales cuando se cumplen las condiciones de la ley de Bragg.

Y = Longitud de onda de los rayos X difractados

a = parámetro de red de la celda unitaria

d = distancia interplanar

Ø = ángulo de difracción de los rayos X difractados

h² + k² + l² = indices de Miller del plano de difracción

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Las imperfecciones, es decir, los defectos en la red de un material cristalino, son de tres tipos generales: defectos puntuales, defectos de línea o dislocaciones y defectos de superficie.

Las dislocaciones son defectos de línea que se mueven al aplicar una fuerza al material haciendo que se deforme.

El esfuerzo cortante resultante crítico es el esfuerzo requerido para que se mueva la dislocación.

La dislocación se mueve en un sistema de deslizamiento, formado por un plano de deslizamiento y una dirección de deslizamiento. La dirección de deslizamiento, es decir, el vector de Burgers, típicamente es una dirección compacta. El plano de deslizamiento normalmente también es compacto o casi compacto.

En los cristales metálicos, el número y tipo de direcciones de deslizamiento y planos de deslizamiento influye en las propiedades del metal. En los metales fcc, el esfuerzo cortante resultante crítico es bajo y existe un número óptimo de planos de deslizamiento; en consecuencia, los metales fcc tienden a ser dúctiles. En el caso de los metales bc, no hay planos compactos disponibles y el esfuerzo cortante resultante crítico es alto; por lo que los metales bc tienden a ser resistentes. El número de sistemas de deslizamiento en los metales hcp es limitado, haciendo que estos metales se comporten de manera frágil.

Los defectos puntuales, que incluyen vacancias, átomos intersticiales y átomos sustituciones, introducen campos de esfuerzos de compresión o de tensión que alteran la red adyacente. Como resultado, las dislocaciones no pueden deslizarse en las cercanías de defectos puntuales, incrementándose la resistencia del material. El número de vacancias, o de puntos de red vacíos, depende de la temperatura del material; los átomos intersticiales (localizados en sitios intersticiales entre átomos normales) y los átomos sustitucionales (que remplazan al átomo normal en puntos de la red) a menudo se introducen de manera deliberada y generalmente su número no se altera por los cambios de temperatura del material.

Los átomos se mueven mediante mecanismos de difusión a través de un material sólido, particularmente a temperaturas elevadas y estando presente un gradiente de concentración. Algunas relaciones clave que implican difusión son las siguientes:

Dos mecanismos de importancia para el movimiento de los átomos son la difusión por vacancias y la difusión intersticial. Los átomos sustitucionales se mueven en la red gracias al mecanismo de difusión por vacancias.

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La velocidad de difusión se rige por la relación de Arrhenius, esto es, la difusión aumenta de manera exponencial al incrementarse la temperatura. La difusión es importante a temperaturas superiores a 0.4 veces la temperatura de fusión del material (en grados Kelvin).

La energía de activación Q representa la facilidad con la cual los átomos se difunden, ocurriendo una difusión rápida si la energía de activación es reducida. Se tiene una baja energía de activación y una rápida velocidad de difusión en el caso de (1) difusión intersticial en comparación con la difusión por vacancias, (2) estructuras cristalinas con bajo factor de empaquetamiento, (3) materiales de baja temperatura de fusión o con enlaces atómicos débiles y (4 ) difusión a lo largo de bordes o superficies de grano.

El flujo total de átomos, aumenta cuando se incrementan el gradiente de concentración y el coeficiente de difusión.

Para un sistema particular, la cantidad de difusión está relacionada con el valor de la expresión Dt, la cual nos permite determinar el efecto de la temperatura en el tiempo requerido proceso controlado por difusión.

La difusión atómica es de importancia primordial para muchas de las técnicas de procesamiento de materiales, como la sinterización, la metalurgia de polvos y la soldadura por difusión. Adicionalmente, muchos de los tratamientos térmicos y de los mecanismos de endurecimiento utilizados para controlar la estructura y las propiedades de los materiales son procesos dos por difusión. La estabilidad estructural y las propiedades de los materiales durante su uso a altas temperaturas dependen de la difusión. Finalmente, se producen muchos materiales importantes al evitar de manera deliberada la difusión, formando así estructuras fuera del equilibrio.

PROPIEDADES.

Las propiedades de los metales se clasifican en físicas, mecánicas y tecnológicas.

Las propiedades físicas dependen del tipo de aleación y las más importantes son:

• Peso específico

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• Calor específico

• Dilatación térmica

• Temperatura de fusión y solidificación

• Conductividad térmica y eléctrica

• Resistencia al ataque químico

Peso específico.

El peso específico puede ser absoluto o relativo: el primero es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogéneo. El peso específico relativo es la relación entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia; para los sólidos y líquidos se toma como referencia el agua destilada a 4°C.

Calor específico.

Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 kg de determinada sustancia. El calor específico varía con la temperatura. En la práctica se considera el calor específico medio en un intervalo de temperaturas.

Punto de fusión.

Es la temperatura a la cual un material pasa del estado sólido al líquido, transformación que se produce con absorción de calor.

El punto de solidificación es la temperatura a la cual un líquido pasa al estado sólido, durante la transformación hay cesión de calor. Casi siempre coinciden los puntos de fusión y de solidificación.

Calor latente de fusión.

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Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares del material ( a la temperatura de fusión) y transformarlo de sólido en líquido.

Resistencia ala corrosión.

La corrosión de los metales puede originarse por:

• Reacciones químicas con los agentes corrosivos

• Reacciones electroquímicas producidas por corrientes electrolíticas generadas en elementos galvánicos formados en la superficie con distinto potencial. Las corrientes electrolíticas se producen con desplazamiento de iones metálicos.

La corrosión electrolítica puede producirse por:

• Heterogeneidad de la estructura cristalina

• Tensiones internas producidas por deformación en frío o tratamientos térmicos mal efectuados.

• Diferencia en la ventilación externa

La protección de los metales contra la corrosión puede hacerse por:

• Adición de elementos especiales que favorecen la resistencia a la corrosión.

• Revestimientos metálicos resistentes a la corrosión

• Revestimientos con láminas de resinas sintéticas o polímeros.

BIBLIOGRAFIA

Avner, Sydney H Introducción a la metalurgia. McGraw-Hill, México, 1988Chalmers, Bruce Metalurgia Física,Aguilar, Madrid,1968Espinosa, Heliodoro H. Tecnologia de los materiales. Razo y Aguilar Impresores, México, 1979Lajtin, Yu. M. Metalografia y tratamiento termico de los metáles, Edit.Mir,Moscú, 1977Malishev, A, Nikolaiev G,Shuvalov Y. Tecnologia de los metales. Edit.Mir,Moscú, 1975

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Engineering

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