Estructura interna material: 1.Niveles estructura: 1.1.Subatómico(partículas como un electrón, interactuando con otras partículas en el átomo): Los materiales consisten de las partículas elementales que forman los átomos y moléculas Átomo: núcleo pequeño + electrones que rodean el núcleo. a)Protón: partícula elemental con la carga eléctrica positiva elemental (1.6×10-19 C) y masa de 1.67×10-27 kg. b)Neutrón: partícula elemental eléctricamente neutra (sin carga eléctrica) y con la masa igual que la del protón. Los protones y los neutrones se unen por la interacción fuerte en un núcleo de átomo. c)Electrón: partícula elemental con una carga eléctrica elemental negativa (de magnitud igual a la del protón) y una masa de 9.11×10-31 kg, inferior a la de los componentes del núcleo (protones y neutrones)(Np=Ne=>eléctricamente neutros). 1.2.Atómico(organización de átomos o moléculas individuales entre si): a)Número atómico (Z): es igual al número de protones (o electrones) en cada átomo (de 1 para el H a 94 para el Pu). b)Masa atómica (A): la suma de las masas de los protones y de los neutrones de un núcleo=>el número de los neutrones (N) puede variar en los átomos del mismo elemento. c)Isótopos: los átomos del mismo elemento que tienen un numero diferente de neutrones y, por lo tanto, una masa atómica diferente (A≈Z+N). d)Peso atómico (M)(g/mol): la masa ponderada de las masas atómicas de los diferentes isótopos de un elemento. El peso atómico de un elemento o el peso molecular de un compuesto se expresa: u /átomo g /mol. e)Unidad de masa atómica: (u):1u=1/12 de la masa atómica del isótopo 12^C. f)Mol: de una substancia cuenta con 6.023×1023 átomos o moléculas. g)Numero de Avogadro(NA): 1u/átomo(molécula)=1g /mol Ejemplo: el peso atómico del Fe es 55.85 u /átomo=55.85g /mol. -Microscópico(organización de los grupos de átomos y moléculas, estructura cristalina) -Macroscópico(nivel comparable con la dimensión carácterística de un elemento de estructura).Propiedades macroscópicas relevantes de los materiales dependen de las interacciones de los constituyentes en los niveles sub- y atómico.
Estructura electrónico del átomo: 1.Teorías: a)Modelo clásico de átomo (Rutherford, 1911)(Np+=Ne-): Postula la estructura atómica como un análogo a un sistema planetario, donde el núcleo se encuentra en el centro y los electrones se mueven en órbitas circulares a su alrededor. b)Modelo cuántico (Bohr 1913,…) La energía de los electrones está cuantizada, la energía y radios de la órbita de los electrones sólo pueden tomar determinados valores. c)Dualidad de las partículas: onda-corpúscula: Los electrones no se mueven en órbitas circulares sino que están en orbitales, definidos por la probabilidad de encontrar electrón a cierta posición respecto al núcleo. 2.Orbital: es una función matemática que describe la regíón que rodea el núcleo, donde se encuentra la mayor probabilidad de encontrar el electrón. Cada orbital representa un b)nivel de energía posible del electrón. Los orbitales se describen mediante 3 de los 4 números cuánticos n(principal)(1,2,3…): Nivel energético(la capa).L(acimutal)(0,…N-l): Forma del orbital, subnivel (subcapa). ml(magnético)(-l,…,+l): Orientación del orbital. s(espín)(+-½): Espín de electrón. 3.Configuración electrónica: Distribución de los electrones en los diferentes niveles. a)Notación abreviada de configuración electrónica incluye dos números cuánticos: -El valor numérico del número cuántico principal; 1. -El número cuántico acimutal, expresado por la letra; (s,p,d,f,g…); 1s s: l=0 p: l=1 d: l=2 -El superíndice indica el número de los electrones en cada orbital: 1s2. b)Determinar configuración electrónica de un átomo, se deben ir llenando los diferentes niveles (capas) y subniveles (subcapas) según el principio de “Aufbau”, elPrincipio exclusión de Pauli y reglas Hund. Posos: 1º.Los electrones se distribuyen en los orbitales de forma que se minimiza la energía del átomo y la suma de los dos primeros números cuánticos n+l. Distribución de los electrones en subcapas: 2º.Principio de exclusión de Pauli: En un determinado sistema cuántico no pueden existir dos electrones con los 4 números cuánticos idénticos => en un mismo orbital sólo puede haber 2 electrones con espínes diferentes. 3º.Regla de Hund: Al llenar orbitales degenerados (con la misma energía) los electrones se distribuyen desaparejados y con espines paralelos siempre que sea posible (permitido por el principio de exclusión). 4.Valencia:-Se relaciona con la capacidad del átomo para entrar en combinación química con átomos de (otros) elementos. -Se determina por el número de electrones en los subniveles s y p más externos. -Valencia depende del tipo de la reacción química. -Si la capa externa está llena, la Valencia es 0, el elemento es inerte. 5.Electronegatividad: Describe la tendencia de un átomo a captar un electrón. a)Los átomos que tienen la capa externa casi llena (grupos 6 y 7) son muy electronegativos, quieren captar electrones para llenarla. b)Los átomos que tienen pocos electrones en la capa exterior (grupo 1) tienen tendencia alta a ceder electrones, son poco electronegativos. c)Los átomos con Z mayor tienen electronegatividad más baja debido a la mayor distancia al núcleo y menor fuerza de atracción. 6.Ión: Cuando un átomo pierde (cede) un electrón, se transforma en un ion con carga eléctrica -La energía que se debe aportar a un electrón para liberarlo del átomo (en estado gaseoso) se llama energía de ionización. -El primer electrón que pierde el átomo es el más débilmente ligado al núcleo (de menor energía de ionización). -Los siguientes requieren energías más altas. 7.Afinidad electrónica: Medida de la energía que se libera cuando un átomo adquiere un electrón. 8.Rádio atómico: Distancia entre el centro de núcleo y la orbital electrónica más lejana (estado neutro del átomo). Aumenta con Z en el grupo y disminuye en el período con la carga nuclear efectiva. 9.Rádio iónico: Depende de: -la carga nuclear -el número de electrones -tipo de orbitales. 10.Cationes y aniones. A)Cationes(carga positiva): tienen el radio iónico menor que el radio atómico de los átomos de que provienen (pierden los electrones exteriores). b)Aniones(carga negativa): tienen el radio iónico mayor que el radio atómico de los átomos de que provienen (aceptan los electrones a la capa exterior)
Enlace atómico: Los átomos se enlazan entre ellos si así minimizan su energía total.Dos átomos aislados no interactúan a distancia infinita. -A distancias cortas, actúan dos a)Tipos de fuerza:Fuerza atractiva: depende del tipo de enlace actúa en las distancias largas. Fuerza repulsiva: aparece cuando los niveles electrónicos de los átomos empiezan a solaparse, es debida al principio de exclusión y funciona en las distancias cortas. b)El punto de equilibrio (la suma vectorial de las fuerzas es nula):FN=FA+FR=0. c)Distancia interatómica: Separación entre dos átomos en equilibrio. d)Condición de estabilidad: cuando los átomos se encuentra en un mínimo en la curva de energía E(r) para r=r0 – es la e)Energía de enlace E0=E(r0): Energía necesaria para romper o crear el enlace, cuanto mayor es la energía de enlace, mayor es la temperatura de fusión, el módulo elástico, la resistencia mecánica y más bajo es el coeficiente de dilatación térmica). 1.Primarios: Carácterísticas: –Es un enlace que se da entre átomos y se debe a la transferencia o compartición de electrones de Valencia con el fin de obtener la capa de Valencia completamente llena. -Enlace que involucra la escala subatómica. -Enlace fuerte.
1.1.Iónico: Uníón de dos iones de los signos opuestos por fuerzas electrostáticas. a)Se produce entre: elementos muy electronegativos y elementos poco electronegativos: b)Átomos menos electronegativos transfieren su electrón/electrones de Valencia a los átomos más electronegativos que los captan c)Ambos átomos quedan ionizados, pasan a ser iones, uno con carga positiva (catión) y el otro con carga negativa (anión)d)La transferencia de carga es energéticamente favorable y hace que los átomos adquieran una configuración electrónica de gas inerte, con la capa exterior llena. e)Uníón: f)Los dos iones de cargas opuestas se atraen con una fuerza de Coulomb (muy fuerte!): g)Los materiales formados con este tipo de enlace producen estructuras compactas y relativamente isotrópicas. h)Alta dureza pero frágiles, tienen temperaturas de fusión y ebullición altas, y son malos conductores en estado sólido i)No direccional. 1.2.Enlace Covalente: a)En este tipo de enlace los átomos comparten sus electrones de Valencia. b)Los átomos comparten los electrones s y p para conseguir la configuarción electrónica estable (8e- en los subniveles s y p). c)Existe entre dos no metales con electronegatividades parecidas (la parte central de la tabla periódica, los elementos de grupos 3,4,5) d)Enlace direccional y fuerte. 1.2.1.Propiedades: –Muy fuertes. –Enlace típico para cerámicas (semiconductores, polímeros), en combinación con otros tipos de enlace. – Malos conductores eléctricos y térmicos (ladrillos). –Frágiles.
1.3.Enlace Metálico: a)Existe entre metáles con electronegatividad baja. b)Átomos ceden los electrones exteriores para formar un “mar de electrones” que rodean los cationes y les unen entre si. c)Los electrones de la capa exterior (de conducción, libres, deslocalizados, itinerantes) no pertenecen a ningún átomo específico. d)Circulan libremente, son responsables de alta conductividad térmica y eléctrica) e)No direccional. 1.3.1.Propiedades: –Menos fuertes que covalentes (temperatura de fusión más baja) – Enlace no direccional, estructura homogénea. –Metales son dúctiles. –Metales son excelentes conductores eléctricos y térmicos.
2.Dipolo eléctrico: Sistema de dos cargas iguales y opuestas q separadas por una pequeña distancia L se denomina dipolo eléctrico. Carácterística fundamental es su momento dipolar eléctrico: vector que apunta de la carga negativa a la positiva y cuya magnitud es el producto de la carga q por la separación L. Los enlaces secundarios son debidos a las interacciones de momentos dipolares de los átomos o moléculas. 2.1.Dipolos eléctricos en campos eléctricos: Si los centros de la carga positiva y negativa coinciden en ausencia de campo externo, son moléculas y átomos no polares en las cuales el momento dipolar en ausencia de campo es nulo, p=0. 2.1.1.Bajo un campo eléctrico externo: Ejerce fuerzas opuestas sobre la nube de electrones y el núcleo=las cargas se desplazan entre sí, los centros de las cargas no coinciden bajo el campo=aparece un momento dipolar inducido por el campo externo. 2.2.Polarización: Proceso de inducción de un momento dipolar por un campo externo se denomina. 2.3.Momento dipolar inducido: Momento dipolar de un átomo o molécula no polar en un campo externo se denomina . -La fuerza que actúa sobre la carga negativa es opuesta al campo, y la que actúa sobre la carga positiva coincide con el campo; -La orientación del momento dipolar coincide con el vector que va de la carga negativa a la carga positiva = el momento dipolar inducido está siempre alineado con el campo externo. 2.1.Moléculas polares y no polares: En algunas moléculas el centro de la carga positiva no coincide con el centro de la carga negativa incluso en ausencia de campo eléctrico externo. 2.1.1.Moléculas polares: momento dipolar permanente. 2.1.2.Moléculas no polares y polares+no polares: momento dipolar inducido.
3.Enlaces Secundarios: Se deben a interacciones electrostáticas entre los dipolos eléctricos permanentes o inducidos en la escala atómica (interacciones entre átomos/moléculas). Las moléculas se pueden enlazar entre sí mediante 2.1.3.Fuerzas de Van der Waals debidas a la interacción electrostática entre momentos dipolares. 2.1.4.Propiedades: – Enlace muy débil con energías del orden de 0.1 eV/a. – Suelen formar gases, líquidos o sólidos de baja temperatura de fusión(polímeros).
3.1.Puentes de hidrógeno: – Un caso particular de enlace secundario entre moléculas polares formadas por átomos del hidrógeno y átomos de los elementos como el F, O y N: poseen momentos dipolares permanentes altos debido a diferencia entre las electronegatividades de H y F, O, N). – Más fuerte que enlace debido a fuerzas de van der Waals. – Se encuentra en compuestos como agua, proteinos y otros compuestos orgánicos (polímeros).
4.Enlaces mixtos: La mayoría de materiales sólidos se forman por combinaciones de enlaces: -iónico+covalente=Cerámicas. -covalente+secundario:(Polímeros, cadena – covalentes, entre cadenas – puentes de hidrógeno). -covalente+iónico=Semiconductores. -metálico+covalente=Algunos metales como el Fe. -iónico+metálico=Compuestos intermetálicos.
1.Organización atómica: Reflejan la escala espacial de interacción interatómica: Orden atómico, Orden de corto alcance y Orden de largo alcance. 1.1.Sin orden (gases)(Energía de enlace 0.001-0.01 eV, kBT~0.02 eV): Átomos o moléculas llenan el espacio de modo aleatorio. 1.2.Orden de corto alcance (líquidos, sólidos amorfos…): El arreglo atómico se extiende solo a los vecinos más cercanos. 1.3.Orden de largo alcance (metales, semiconductores, polímeros): El arreglo atómico se extiende por todo el material. a)Los átomos forman una estructura repetitiva en forma de rejilla o red cristalina b)La red es un conjunto de puntos – puntos de red.La red de cada material difiere en forma, tamaño dependiendo de tamaño de los átomos y tipo de enlace atómico c)La estructura cristalina se refiere a la organización atómica dentro de la red.
3.Celda unitaria: Subdivisión mínima de la red cristalina que conserva las carácterísticas generales de la red. 3.1.Número de átomos por celda unitaria: Cada celda unitaria tiene un número de puntos de red específico. Un punto de red (átomo) puede pertenecer a más de una celda unitaria. a)Átomo interno (no compartido): Contribuye 1(100%) b)Átomo situado en una cara (compartido por 2 celdas): Contribuye 1/2 c)Átomo situado en una esquina(compartido por 8 celdas): Contribuye 1/8 wps.Prenhall.Com. Ejemplo:a)Cúbica simple: 8 esquinas, cada una contribuye 1/8=1 b)Centrada en cuerpo: 8 esquinas, cada una contribuye 1/8+1 interno contribuye 1=2. c)Centrada en las caras: 8 esquinas, cada una contribuye 1/8+6 en caras contribuye ½=4. 3.2.Número de coordenación: Número de átomos que tocan un átomo particular -Númbero de primeros vecinos de un átomo particular (cuantos átomos están a la misma distancia mínima de un átomo particular) Da una idea de como están empaquetados los átomos En el caso de los sólidos iónicos, es el número de cationes que rodean el anión y viceversa.(CS:N=6, CC:N=8, CCC:N=12). 3.3.Factor empaquetamiento atómico: La fracción de espacio de la celda unitaria ocupada por átomos assumiendo la aproximación de esferas rígidas.
4.Sistemas cristalinos(singonias): Solo existen 7 geometrías posibles de las celdas unitarias que pueden cubrir todo el espacio en 3D. 4.1.Parámetros de red: definen tamaño y forma de la celda unitaria – las aristas de la celda unitaria (a, b y c) y los ángulos ( α, β y γ) entre ellas: 4.2.Estructura:Ejes/Ángulos entre ejes (Va disminuyendo la simetría de la celda uniaria): Cúbica:a=b=c–α=β=γ=90°(Simple, Centrada en las caras y en el cuerpo) Tetragonal:a=b≠c–α=β=γ=90°(Simple y Centrada en el cuerpo). Ortorrómbica:a≠b≠c≠a–α=β=γ=90°(Simple, Centrada en el cuerpo, en las bases y en las caras). Hexagonal:a=b≠c–α=β=90°,γ=120°. Trigonal(romboédrica):a=b=c–α=β=γ≠90º. Monoclínica:a≠b≠c≠a–α=γ=90°(Simple y Centrada en las bases). β≠90°. Triclínica: a≠b≠c≠a–α≠β≠γ≠90°.
5.Redes de Bravais: Existen 14 tipos de estructuras de celda unitaria que generan todas las estructuras cristalinas: (las que están entre paréntesis en el apartado anterior).
6.Transformaciones alotrópicas o polimórficas: Materiales alotrópicos o polimórficos pueden tener más de una estructura cristalina en función de T, P, H, F,… a)Alotropía: Propiedad de los elementos puros. b)Polimorfismo: Noción más general Ejemplos: -Metales: -El hierro:CC y CCC. -El titanio:CC y HC. -Memoria de forma:CC: monoclínica tetragonal y ortorrómbica… -El carbono: 8 estructuras cristalográficas.
7.Puntos: La escala de distancias en la red cristalina: parámetros de red. A)Las posiciones de los puntos de la red cristalina o de la celda unitaria se expresan en términos de los parámetros de red. b)Un sistema de coordenadas con el origen en un punto de la red y ejes alineados con las aristas de la celda unitaria. c)Las coordenadas de un punto se miden como distancia entre el origen y el punto en unidades de parámetros de red. d)Las coordenadas de los puntos se escriben como tres distancias desde el origen a lo largo de los tres ejes (expresadas en parámetros de red), separadas por comas.
8.Direcciones: Las direcciones se denotan mediante los índices de Miller – tres números enteros. 8.1.Método de determinación índices de Miller de una dirección: a)En el sistema de coordenadas elegido determinar las coordenadas de dos puntos que pertenezcan a la dirección elegida. b)Restar las coordenadas del punto inicial de las coordinadas del punto final; el resultado es el número de parámetros de red recorridos. c)Reducir los resultados de la resta obtenidos a los mínimos enteros h, k, l. d)Encerrar los números obtenidos en [h,k,l]; los valores negativos se denotan por una barra sobre el número. 8.2.Carácterísticas de direcciones expresados por los índices de Miller: a)Una dirección y su múltiplos son idénticos: b)Ciertos grupos de direcciones son equivalentes (tienen la misma distancia interatómica, sus índices de Miller dependen de la selección del sistema de coordenadas). –c) Familia de direcciones: Formada por los grupos de direcciones equivalentes, se denotan ,k,l>8.3.Direcciones compactas: Direcciones donde los átomos están en contacto continuo (modelo de esferas rígidas) Direcciones compactas en estructuras cúbicas: CS<100>, CC<111> y CCC<110>110>111>100>
9.Planos: Determinan la ductilidad (deformación) de los metales junto con direcciones. Los índices de Miller se usan para definir la orientación de los planos en la red cristalina. Método de identificación de los planos por los índices de Miller: a)Identificar los puntos en los cuales el plano interseca los ejes de coordenadas x,y,z en términos de parámetros de red; Comentario: si el plano pasa por el origen, el origen deben moverse. b)Tomar los recíprocos de las intersecciones. c)Eliminar las fracciones sin reducir a los mínimos enteros. d)Encerrar los números enteros entre paréntesis, los números negativos se escriben con una barra. 9.1.Planos compactos: Planos donde todos los átomos ocupan el superficie menor posible. 9.1.1.Secuencia de apilamiento planos compactos: Estructura HC: a)Los átomos de los planos basales A y B están en los valles de los planos vecinos. b)La secuencia de apilamiento de la estructura HC es la repetición de los dos planos tipo A y B (ABABAB). Estructura CCC:a)Los planos compactos de la estura CCC son de tipo (111) b)Los átomos de los planos A, B y C están en los valles de los planos vecinos. c)La secuencia de apilamiento de la estructura CCC es la repetición de los tres planos tipo A, B y C (ACBACBACB). 9.1.2.Planos compactos y fracciones de superficies ocupadas por átomos: (100) 0.785, (110) 0.833 y (111) 0.907
11.Comportamiento Isotrópico y anisotrópico: El arreglo atómico es diferente para los planos y direcciones diferentes. 11.1.Material anisotrópico si el valor de sus propiedades depende de la dirección cristalográfica a lo largo de la cual se mide la propiedad.
11.2.Material isotrópico: si los valores de sus propiedades son idénticos para todas las direcciones posibles En cristales algunas propiedades pueden ser isotrópicas, otras – anisotrópicas Ejemplo: para redes cristalinas cúbicas el módulo de Young es anisotrópico el coeficiente de expansión térmica es isotrópico
Distancia interplanar: Distancia entre dos planos paralelos con los mismos índices de Miller h,k,l
13.Sitios intersticiales: Como FEA<1, en=»» todas=»» las=»» estructuras=»» existen=»» huecos=»» (sitios=»» intersticiales)=»» entre=»» los=»» átomos=»» (iones)=»» un=»» átomo=»» (más=»» pequeño=»» que=»» los=»» átomos=»» principales)=»» puede=»» ocupar=»» un=»» sitio=»» intersticial=»» (átomo=»» intersticial)=»»>1,>13.1.Propiedades y carácterísticas:a)Un átomo intersticial toca los átomos vecinos de la red (estabilidad). b)El número de átomos que tocan el átomo intersticial es el número de coordenación para el átomo intersticial. 13.2.Tabla(Número de coordenación-Localización sitio intesticial-Relación del radio-(Representación)): 2–Lineal–0-0.155–(O·O) 3–Centro del triángulo–0.155-0.225–(OO) 4–Del tetraedro–0.225-0.414–( ) 6–Del octaedro–0.414-0.732–( ) 8–Del cubo–0.732-1.000–( ). 13.3.Estructuras Cúbicas: Sitios intersticiales cúbico, tetraédrico y octaédrico. 13.4.Reglas: a)Un átomo intersticial debe tener el radio ligeramente mayor al radio del sitio intersticial para no estár “suelto” en la red. b)Un átomo intersticial no puede tener el radio demasiado grande respecto al radio del sitio intersticial, se dispone en un sitio con el número de coordenación más grande.
14.Sólidos iónicos: Estructura:14.1.Restricciones: a)Mantener la neutralidad eléctrica. b)Asegurar el factor de empaquetamiento atómico máximo. c)Aniones son más grandes, cationes más pequeños. c)Cationes ocupan los sitios intersticiales en la red formada por los aniones 14.2.Propiedades:a)La diferencia entre los radios de iones afecta las estructuras posibles. b)La relación entre los radios de anión y catión determina la estructura específica de los sólidos iónicos. 14.3.Ejemplos: a)Estructura NaCl(rNa/rCl=0.098/0.181=0.54): Estructura con los cationes en los sitios intersticiales octaédricos. Dos estructuras CCC interpenetradas, desplazadas mutualmente un vector (½, 0, 0) El número de coordenación es típico para SI octaédrico, N=6 Otros ejemplos: MgO, CaO, FeO, KBr, PbS, AgBr. bEstrucutra CsCl(rCs/rCl=0.165/0.181=0.91):SI cúbico que existe en la red CS. Dos estructuras CS interpenetradas con los cationes en los sitios intersticiales cúbicos. Dos estructuras CS desplazadas mutualmente un vector (1/2, 1/2, 1/2). c)Estructura ZnS (blenda de zinco)rZn/r S=0.074/0.184=0.40: SI tetraédrico: La estructura CCC formada por aniones con los cationes en 4 sitios intersticiales tetraédricos. Dos estructuras CCC desplazadas mutualmente un vector (1/4, 1/4, 1/4). Otros compuestos: GaAs, CdTe, TiC, TiN. d)Estructura CaF2 (fluorita) El número de coordinación para el F-: N=4. El número de coordinación para el Ca2+: N=8. Otros ejemplos: ZrO2, UO2, CeO2.
15.Sólidos amorfos(“líquidos sobreenfriados”): a)No poseen arreglo atómico de largo alcance. b)Pueden tener arreglo atómico de corto alcance. c)En la mayoría de los casos son estructuras termodinamicamente metaestables. d)El estado de equilibrio es el estado cristalino. e)El material no puede alcanzar el estado de equilibrio cristalino por razones cinéticas. 15.1.Sólidos cristalinos: Discontinuidad en las propiedades cuando pasa de líquido a sólido. Los sólidos amorfos pueden cristalizar durante un tratamiento térmico (TT) a temperaturas elevadas. SiO2 amorfo(2D): Arreglo de corto alcance. Ejemplos: Vidrios de ventana Metales amorfos. 15.2.Sólidos amorfos: Variación gradual en un líquido sobreenfriado y en estado vidrio a temperatura Tg. SiO2 cristalino (2D): Arreglo de largo alcance.
Imperfecciones en cristales: 1.Imperfecciones en el arreglo atómico: No existen cristales perfectos. 1.1.Dualidad: de imperfecciones en el arreglo atómico: 1.2.Portadores de las propiedades útiles: para aplicaciones diferentes. a)Metales: resistencia mecánica, resistencia eléctrica, amortiguación. b)Semiconductores. c)Materiales amorfos. 1.3.Defectos(puntuales, lineales, superficiales): 1.Puntuales (0D): Vacantes, intersticiales, sustitucionales, defectos Frenkel, defectos Schottky y divacantes. Involucran distorsiones de la red cristalina de una o pocas distancias interatómicas. Origen: Se generan en un cristal mediante: –Excitación térmica (a T elevadas). –Durante procesamiento (deformación plástica). –Introducción de impurezas (no intencional). –Producción de aleaciones (adición de dopantes intencional). 1.1.Vacante: falta un átomo en un sitio normal (punto de red) de la red “perfecta”. La concentración de vacntes en equilibrio se define por la equación de Arrhenius. En estado fuera de equilibrio se generan. -Durante cristalización, acompañada por enfriamiento rápido (templado). -Durante tratamientos térmicos en el estado sólido a temperaturas altas + templado. -Por la irradiación. La concentración de vacantes fuera de equilibrio (producidas por templado) se puede controlar mediante tratamientos térmicos. 1.2.Intersticial: Un átomo adicional en una posición normalmente desocupada (sitio intersticial) en la red cristalina. a)Extrínseco: El átomo diferente de los átomos de la red cristalina. b)Intrínseco: El átomo de la red cristalina forma un defecto intersticial intrínseco o intersticio. c)Normalmente: -Los átomos intersticiales son mayores que los sitios intersticiales -Los átomos intersticiales son de tamaño menor que los átomos de los puntos de red – Suelen ser los átomos pequeños en metales (hidrógeno, carbono en el hierro) -La concentración de los átomos intersticiales extrínsecos se mantiene constante, incluso a temperaturas altas. -Los intersticios (DI intrínsecos) son poco estables. d)Siempre: -Un defecto intersticial distorsiona la red cristalina por compresión. 1.3.Sustitucional: átomo distinto de los átomos anfitriones que reemplaza un átomo de la red cristalina. a)Se generan: -Como impurezas -Como un elemento aleante b)Normalmente: – El número de defectos sustitucionales se mantiene constante, independientemente de temperatura. c)Siempre: -Un defecto sustitucional distorsiona la red cristalina. Si… un átomo sustitucional es mayor que los átomos de la red cristalina, la red se comprime Si…. un átomo sustitucional es menor que los átomos de la red, la red se queda en tensión. 1.4.Defectos Frenkel: Una combinación de un intersticio y una vacante Típicos en cristales con enlace iónico. Cristales con enlace iónico(cerámicas) 1.5.Defectos Schottky: Una combinación de vacante de anión y vacante de catión Una vacante de anión+un anión en la posición sustitucional con la carga diferente de los aniones de la red Ejemplo: NaCl dopado con Ca2+. 2.Lineales(1D): 2.1.Dislocaciones: a)Se generan: -Durante cristalización -Durante deformación de crista.L b)Normalmente: -Son responsables de ductilidad de materiales. c)Existen: -En todos materiales cristalinos (excepción: objetos microscópicos, cristales bigotes). 2.1.1.Dislocaciones de borde: Un plano atómico incompleto extra insertado entre dos planos atómicos del cristal perfecto. La terminación del plano extra representa la línea de dislocación. a)Provoca tensiones y compresiones en las partes situadas alrededor de la dislocación. b)Se denota: por un símbolo: (_+I). c)Vector: Burgers, se requiere para cerrar un contorno de circulación que contiene una dislocación es el vector de Burgers de la dislocación Para una dislocación de borde el vector de Burgers es perpendicular a la línea de dislocación. 2.1.2.Dislocación de tornillo: Símbolo: (_+I). Vector: Burgers, para una dislocación de tornillo el vector de Burgers es parallelo a la línea de dislocación. 2.1.3.Dislocación mixta: Para una dislocación mixta el vector de Burgers es el mismo a lo largo de la línea de dislocación. 2.1.4.Deslizamiento de dislocaciones: El deslizamiento de dislocaciones es el mecanismo de deformación más importante. El deslizamiento da ductilidad a los materiales. Se puede controlar las propiedades de los materiales controlando la movilidad de dislocacionesEl vector de Burgers y línea de dislocación definen un plano: Plano de deslizamiento de dislocación. a)Esfuerzo cortante: Provoca una fuerza de Peach-Koehler (por unidad de longitud) que actúa sobre la dislocación. FPK=o+- b. b)Fuerza PK provoca un desplazamiento del “plano extra” mediante la rotura y reestablecimiento de los enlaces en la posición nueva del “plano extra”. b)Dislocación se mueve una distancia interatómica. c)Proceso de deslizamiento se repite y resulta en deformación de cristal. d)Dirección de movimiento de dislocación es la dirección de deslizamiento La dirección de deslizamiento coincide con el vector de Burgers para una dislocación de borde. e)Esfuerzo de Peierls-Nabarro: Esfuerzo cortante requerido para mover la dislocación de una posición de equilibrio a otra: El esfuerzo de Peierls es aproximadamente 1000 veces menor que el esfuerzo requerido para desplazar dos partes del cristal a la vez (resistencia teórica). Un plano de deslizamiento y la dirección de deslizamiento constituyen un sistema de deslizamiento. f)Factores determinan sistemas deslizamiento más probables:1.El vector de Burgers b mínimo => ocurre en las direcciones más compactas 2.La distancia entre los planos d máxima => ocurre en los planos más compactos. Los sistemas de deslizamiento preferentes incorporan los planos y las direcciones compactas. g)Tabla(Estructura cristalina-Plano de desplazamiento-Dirección de desplazamiento): MetalesCC-{110},{112} y {123} -<111>. MetalesCCC-{111}-<110>. MetalesHC-{0001}-<100>,({1120},{1010} y {1011}en algunos metales y aleaciones o a temperaturas elevadas estos planos están activos)-<110> o <1120>. MgO, NaCl (iónicos) {110}-<110>. Silicio (covalente)-{111}-<110>. 110>110>1120>110>100>110>111>h)Comentarios: 1.En cristales con enlaces iónicos las fuerzas electrostáticas aumentan el esfuerzo de deslizamiento. 2.Enlaces covalentes direccionales impiden deslizamiento. 3.Los vectores de Burgers son más grandes que en los metales compactos. Los materiales con enlaces iónicos y covalentes son poco dúctiles (frágiles). 2.1.5.Densidad de dislocaciones: La longitud total de las líneas de dislocaciones por unidad de volumen. Densidad de dislocaciones en metales deformados puede alcanzar los valores 10^12 cm/cm3. 1012 cm=10^7km.
3.Superficiales(2D): a)Superficie del material: La red cristalina termina en las superficies de material, Los átomos de la superficie no tienen el mismo número de vecinos (enlaces) que los átomos del interior, Las superficies son más reactivas que el interior del cristal. Comentario: V∝r^3 y S∝r^2.. Ns/Nv∝r^2/r^3=1/r. En los materiales convencionales la fracción de los átomos en las superficies es baja, en nanomateriales los efectos superficiales son importantes. 3.1.Fronteras de granos: Es la superficie(zona estrecha) que separa dos granos Los átomos no están correctamente espaciados en las zonas de fronteras de granos
a)Carácterísticas: –Los átomos están desordenados para acomodarse entre los dos granos. -Son zonas de energía más alta y más alta reactividad(p.Ej. Química). -Son visibles por microscopia óptica. B)Granos: Partes de un material cristalino con las orientaciones cristalográficas diferentes y no relacionadas por ninguna operación de simetría, las partes de material policristalino. El tamaño de granos afecta las propiedades mecánicas de materiales policrystalinos: -Límite elástico -Resistencia mecánica suben para los granos más finos debido a más alta resistencia al deslizamiento de dislocaciones. Bordes de grano de ángulo pequeño: Son fronteras entre dos granos con la diferencia de orientación pequeña (pocos grados) El borde de grano de ángulo pequeño se produce por un arreglo de dislocaciones de borde que produce la falta de coincidencia de orientaciones de los dos granos La energía de los bordes de grano de bajo ángulo es mucho menor que la energía de las fronteras de granos. c)Ácidos: Atacan las fronteras de granos más que los granos. d)Fronteras de maclas: Separa dos partes de cristal con orientaciones diferentes (como fronteras de granos). Pero: -Las dos partes de cristal poseen la simetría de espejo. -Los átomos están perfectamente ordenados en la frontera de maclas. -El espesor de la frontera de maclas es 1-2 distancias interatómicas. Formación de maclas y movimiento de fronteras de maclas, como deslizamiento de dislocaciones, es un mecanismo de deformación de cristales (Zn, Mg, Sn,…). 4.Defectos volumétricos: (Poros, Grietas, Inclusiones de otros compuestos o fases): Determinan resistencia mecánica de materiales: a)Efecto negativo: grietas, poros promueven la rotura. b)Efecto positivo: inclusiones finas de otras fases (precipitados), el mecanismo más eficaz de bloquear deslizamiento de dislocaciones=>aumentan: -Límite elástico y Resistencia mecánica.
Propiedades mecánicas: Los materiales de construcción están sometidos a fuerzas de tipo e intensidad diversos Las propiedades mecánicas nos dan la respuesta de los materiales a las cargas aplicadas Las propiedades mecánicas se determinan realizando ensayos de laboratorio donde se intentan reproducir las a)Condiciones de servicio -Definiciones de las propiedades mecánicas importantes -Métodos de ensayos más comunes.
1.Elasticidad: Capacidad de un sólido para cambiar su forma bajo fuerza externa y recuperar su forma inicial, por el mismo camino que durante la carga, cuando se retira la fuerza Si la dependencia es lineal (pequeña fuerza aplicada a un material cristalino). elasticidad lineal, correspondiente a la ley de Hooke Para fuerzas aplicadas por encima del límite elástico, muchos materiales no recuperan su tamaño y forma inicial al descargarse (queda deformación residual después de retirar la carga). El material exhibe la propiedad, que se denomina la ductilidad. Deformación residualirreversible se denomina deformación plástica. 1.1.Tipos: Deformación reversible (elástica): Deformación irreversible (plástica): . Carácterísticas físicas básicas están implicadas en las propiedades elásticas: 1.1.1.Esfuerzo(mecánico-ingenieril): a)Tensión y b)Compresión: normal σ es una fuerza normal a la superficie por unidad de la superficie sobre la que actúa. c)Cizalla(Esfuerzo cortante τ ): Fuerza que actúa en el plano de superficie por unidad de la superficie sobre la que actúa Importante: -Los esfuerzos normales y cortantes son responsables de modos diferentes de deformación -El esfuerzo no es escalar ni vector: es un tensor con un máximo de 9 componentes independientes (3 normales y 6 cortantes). d)Torsión. 1.1.2.Deformación: a)Tensión y b)Compresión(Deformación ingenieril &épsilon;) G: módulo de cizallamiento (de elasticidad transversal). La deformación de un cuerpo no es un escalar ni un vector, es un tensor que incluye deformaciones tanto normales como de cizalla. En general contiene un máximum de 9 componentes independientes (3 normales y 6 de cizalla) c)Cizalla(Esferzo cortante τ):γ=tanθ: La deformación de un cuerpo no es un escalar ni un vector, es un tensor que incluye deformaciones tanto normales como de cizalla – En general contiene un máximum de 9 componentes independientes (3 normales y 6 de cizalla). d)Tracción. Deformación de tracción está acompañada por un cambio de la sección transversal del cuerpo con una deformación transversal de compresión. 1.1.3.Deformación y esfuerzo: Deformación de tensión y compresión de la mayoría de cristales: esfuerzo y deformación son proporcionales para los esfuerzos bajos(σ=E&épsilon;). a)Ley de Hooke: -Módulo elasticidad:τ=Gγ. -Módulo cizallamiento(G): de elasticidad transversal. b)Coef.Poisson: Las deformaciones longitudinal y transversal tienen los signos opuestos: &épsilon;z:positiva; &épsilon;x y &épsilon;y:negativas. c)Isotrópicos: E, G y ν no son independientes para los materiales isotrópicos. d)Anisotrópicos: Las constantes elásticas en el caso de material anisotrópico se representan por un tensor de 4 rango con un máximo de 21 componentes independientes, que relaciona dos tensores de deformación y de esfuerzo.
2.Fractura: Descomposición de un sólido en varias partes. 2.1.Tipos:a)Fractura frágil: Produce sin deformación plástica notable, por valores bastante bajos de la deformación total (principalmente elástica). Ejemplos: hierro fundido gris, vidrio, cerámica… b)Fractura dúctil: Acompañada de notables deformaciones plásticas. Ejemplos: Metales, polímeros… La división de los materiales en dúctil y frágil es virtual: el mismo material puede demostrar diferentes tipos de fractura, dependiendo de las condiciones experimentales! (temperatura,…) F: D: .
Constantes elásticas: Sistema cúbico tiene 3 constantes elásticas independientes
4.Efecto de temperatura:
Con la subida de temperatura: -Resistencia a la tensión↓ -Elongación↑ -Módulo de Young↓ -Límite de fluencia↓
Ensayos(Tensión, Flexión, Compresión, Torsión, Compresión isostática, Dureza, Impacto, Fatiga): 1.Ensayo Tensión: 5.1.1.Parámetros y propiedades obtenidos: a)Parte inicial: la parte elástica (deformación elástica reversible) donde se cumple la ley de Hooke. Módulo de Young (de elasticidad): la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su regíón elástica. Energía de enlace define el valor de módulo de Young y la temperatura de fusión. E.Cerámicas>E.Metales>>E.Polímeros(igual con σy) . b)Segunda parte: Transición entre comportamiento elástico y deformación plástica El punto donde desaparece el comportamiento elástico es el límite elástico o límite de fluencia. c)Deformación plástica: se denomina límite de fluencia (yield point) o límite elástico Es habitual tomar como límite elástico la intersección de la curva σ(&épsilon;) con una línea paralela al comportamiento elástico que pase por una deformación del 0.2%. -El límite elástico es una carácterística condicional. -La deformación irreversible existe por debajo del límite elástico. -En algunos materiales la transición elástico-plástico presenta discontinuidad del punto de fluencia. d)Resiliencia: Capacidad de acumular la energía elástica en deformarse y cederla en la descarga. Se denomina módulo de resiliencia Er a la energía de deformación almacenada por unidad de volumen hasta el límite elástico. En los gráficos esfuerzo-deformación, la energía asociada a un proceso de carga y descarga es el área bajo la curva correspondiente. e)Resistencia a la tensión: El más alto esfuerzo obtenido sobre la curva esfuerzo-deformación ingenieril. Si la deformación no se mantiene uniforme, una regíón se deforma más, provocando una reducción local en la sección de la probeta o una zona de encuellamiento La resistencia a la tensión es el esfuerzo al cual se inicia el encuellamiento. f)Parámetros reales se usan para el diseño de los procesos de manufactura donde el material se deforma plásticamente. g)Resistencia a T ambiente: para diferentes clases de materiales: TS(ceram)~TS(met)~TS(comp)>>TS(poly) pero polym≈ρcomp<><ρmetal.>ρmetal.>h)Ductilidad: Mide el grado de deformación plástica máxima que puede soportar un material sin romperse. Materiales: -Frágiles -De ductilidad moderada -De ductilidad elevada. i)Tenacidad: Capacidad de un material de absorber energía antes de la ruptura. Para que un material sea tenaz es necesario que sea tan resistente como dúctil, siendo a menudo más tenaces los materiales dúctiles que los frágiles. 1.2.Resultado deformación plástica: -Elongación de muestra y -Reducción de su área. a)Medidas ductilidad: -Elongación (%): la distancia que la probeta se alarga antes de la fractura. -Reducción en área. b)Criterio condicional de ductilidad: Se introduce como en el caso del límite de elasticidad: -Los materiales son frágiles si el porcentaje de elongación es menor que 5%. -Si la elongación es más de 5%, el material se clasifica como dúctil.
2.Ensayo flexión: Materiales con baja ductilidad o frágiles se pueden probar mediante el ensayo de flexión Flexión en tres punto. 2.1.Prámetros y propiedades obtenidos: a)Resistencia a flexión o módulo de ruptura: ·FL/2wh^2(F: Carga a la fractura, w: Anchura de probeta, L: Distancia entre los puntos de apoyo, h: Altura de la probeta) . b)Módulo de Young(determinado en flexión): E=FL^3/4wh^3δ(δ: Deflexión de la probeta).
3.Ensayo compresión: Materiales con baja ductilidad o frágiles se pueden probar mediante el ensayo de compresión. -Las construcciones se diseñan de forma que solo esfuerzos de compresión actúen sobre los componente s. -Materiales de construcción a menudo tienen las propiedades diferentes en tensión y en compresión. -Los materiales (frágiles) fallan a esfuerzos de compresión más altos que de tensión. 3.1.Parámetros y propiedades obtenidos son los mismos que en tensión: Módulo de Young Límite de fluencia Deformación máxima Esfuerzo de ruptura.
4.Ensayo compresión isostática: a)Configuración típica: Una muestra (cúbica,…) bajo una presión uniforme P (ejemplo: la construcción a cierta profundidad en el mar). -Se mide la variación del volumen de muestra ∆V/V 0(variación relativa de volumen). 4.1.Parámetros determinados: a)Módulo de compresibilidad volúmica: P=-K∆V/V0. b)Relación con otros módulos elásticos: K=E/3(1-2v).
5.Ensayo torsión: a)Configuración típica: -Una barra (cilíndrica, rectangular,…) o un tubo bajo un par T. -Se mide el ángulo de torsión θ. 5.1.Parámetros y propiedades obtenidos: a)Módulo de cizalla G: τ=Gγ(τ:esfuerzo cortante. γ:Deformación de cizalla).
6.Ensayo dureza: Mide la resistencia de la superficie de un material a la penetración por un objeto duro. a)La dureza: Es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada en una zona pequeña. b)Métodos de medición de dureza(Sencilla, barata, destructiva, no requiere preparación especial de las muestras):se basan en. -La indentación de una punta de geometría variada en condiciones controladas de fuerza y velocidad de aplicación. -Estudio de la forma y profundidad del impacto dejado por la punta en el material. -Asignándose un número de dureza, que tiene una validez sólo relativa al método. ba)Métodos más comunes: Brinell, Rockwell. Métodos de microdureza: Vickers, Knoop: Ee mide el tamaño de la impresión de un indentor pirámide de diamante. c)Resistencia a la tensión: Tanto la dureza como la resistencia mecánica indican la resistencia de un material a la deformación plástica, hay una relación entre ambas propiedades Para los aceros.
7.Ensayo impacto: Para evaluar la ductilidad de un material bajo las condiciones de impacto. Impacto se caracteriza por una velocidad de aplicación de esfuerzo muy alta. Comentario: Un material sometido al impacto puede tener un comportamiento más frágil en comparación con un ensayo quasi estático. a)Ensayo Charpy y -izod: Se mide la energía de impacto absorbida por el material durante la ruptura de probeta y la tenacidad de materia. La energía absorbida viene dada por la diferencia de la energía potencial del péndulo en las posiciones inicial y final. b)Charpy: Energía absorbida se mide en J. c)Izod: Energía absorbida reducida por el valor de espesor de la probeta (el área de sección) Se mide en J/m o J/m^2.
8.Ensayo Fractura: Todos los materiales de construcción contienen grietas. El comportamiento de los materiales con grietas es extremadamente importante! ¿Qué va a pasar con nuestra construcción?8.1.Tipos ensayos fractura y factores intensidad de esfuerzo: Tipos de K factores dependen del modo de deformación. a)Modo I: Apertura de la grieta por esfuerzo de tensión uniaxial=>Factores KI y KIC. b)Modo II: Cizallamiento en el plano de la placa=>Factores KII y KIIC. c)Modo III: Rasgado perpendicular al plano de la placa=>Factores KIII y KIIIC. 8.2.La mecánica de la fractura: a)Se ocupa de: -Las condiciones para la estabilidad de materiales con grietas. -La distribución de deformaciones y esfuerzos alrededor de grietas. b)mecánica de fractura lineal: Es la parte más simple de la mecánica de la fractura. Aproximaciones de la mecánica de fractura lineal: -Material es lineal elástico e isotrópico. -Sufre fractura puramente frágil. c)Fractura dúctil: ca)Se produce: en materiales dúctiles que soportan un cierto grado de deformación. Se encuentra mucha deformación plástica alrededor de la grieta cb)Tipos diferentes posibles: – Fractura por deslizamiento de los planos: se da en monocristales – Fractura por estricción en un punto: se da en metales muy dúctiles y en otros materiales a alta temperatura – Fractura por estricción moderada (más habitual en materiales metálicos policristalinos): La fractura está precedida por un grado moderado de estricción. cc)Poceso pasos: 1º. La fractura dúctil moderada comienza con la deformación plástica intensa en la zona de estricción. 2º.Acumulación de defectos (la formación de microporos en las fronteras de grano o en las interfázes con las inclusiones). 3º.Los poros crecen y se unen formando grietas grandes. 4º.Cuando el esfuerzo real es suficientemente grande se da la fractura por deslizamiento con un ángulo de 45º (esfuerzo cortante máximo).8.3.Ley de Schmid: Para que la dislocación se mueva, el esfuerzo cortante debe actuar en la dirección de deslizamiento. a)Suponemos: -Aplicamos una fuerza normal F a una probeta cilíndrica de área A. b)Buscar: la dirección y el valor del esfuerzo cortante máximo en la muestra c)Introducimos: -Un plano inclinado respecto al eje de la probeta. -El ángulo φ es el ángulo entre la fuerza aplicada y perpendicular al plano inclinado. -El ángulo λ es el ángulo entre la fuerza aplicada y dirección arbitraria en el plano inclinado. d)Ensayo en tensión y deslizamiento de dislocaciones: Componente normal de esfuerzo:(σ=F/A). Componente de esfuerzo que actúa en el plano inclinado:(σ´=F/A´=F/Acosϕ=σcosϕ). Componente de esfuerzo que actúa en el plano inclinado en la dirección determinada por el ángulo λ:(τ=σ´cosλ=σcosϕcosλ). da)Consecuencias: -Plano perpendicular al eje de la probeta: el esfuerzo cortante es nulo (cos λ=0)(t=0): -Plano paralelo al eje de la probeta: el esfuerzo cortante es nulo (cos φ=0)(t=0): -El esfuerzo cortante máximo: λ=φ=45(tmax=σ/2=F/2A). -En un material policristalino con múltiples sistemas de deslizamiento, la deformación plástica ocurre en un plano inclinado 45º y en la dirección inclinada 45º respecto al eje de muestra. 8.4.Griffith: La resistencia a la tensión no es la propiedad de material, sino la propiedad de muestra. -La resistencia real de los materiales frágiles es órdenes de magnitud inferior a la teórica debido a los defectos preexistentes. a)Problema de Griffith: problema prototipo de la mecánica de fractura lineal: -La grieta de una apertura 2l en un medio infinito bajo esfuerzo de tracción uniaxial La densidad de energía elástica (por unidad de volumen) en un sólido bajo esfuerzo σ:(Uel=σ&épsilon;/2=σ^2/2E)(E:módulo de Young, &épsilon;:deformación elástica). La energía elástica se relaja, desaparece, alrededor de las puntas de la grieta en el volumen de dos cilindros del radio l, la energía de grieta disminuye – La energía de grieta sube con trabajo realizado para mover la grieta (energía de la superficie) + deformación plástica. b)Griffith´s principio de nergía: Criterio de estabilidad de la grieta: La grieta no crece si la energía elástica liberada durante su crecimiento es menor que el aumento de la energía de superficie + energía de deformación plástica. Longitud crítica para el crecimiento dinámico de la grieta: lc=2γE/πσ^2(γ:Energía por unidad de superficie libre. Lc: Depende fuertemente del esfuerzo aplicado). Problema inverso: esfuerzo crítico para el crecimiento dinámico de una grieta de apertura l: σc=(2γE/πl)^½. 8.3.Problema de Irvin(principio de esfuerzo): Grieta de apertura l en un medio infinito bajo esfuerzo de tracción uniaxial. -La fractura es un evento local y debe depender de la distribución de esfuerzo local en las proximidades de la punta de la grieta Esfuerzo de tensión alrededor de la punta de la grieta. a)Cuando crece: La grieta no crece si el factor de intensidad de esfuerzo está por debajo de un valor crítico KIC. La grieta crece si el factor de intensidad de esfuerzo es mayor que su valor crítico. La grieta crece si la energía elástica liberada durante su crecimiento es mayor que el trabajo realizado para mover la grieta El esfuerzo crítico para el crecimiento dinámico de las grietas. Factores que determinan la 8.4.Capacidad para resistir crecimiento grietas: a)Defectos grandes reducen el esfuerzo que soporta el material. Las técnicas de fabricación deben reducir el tamaño de los defectos (ej. Compresión de los materiales cerámicos para eliminar los poros). b)La capacidad de deformación de material. En los materiales dúctiles la deformación local alrededor de la punta de grieta hace la punta redonda y reduce KI. c)Materiales más gruesos tienen una tenacidad a la fractura más baja que materiales finos (delgados) debido a más probable existencia de los defectos críticos (fibras finas, cristales “bigotes”: el diámetro del cristal es menor que la apertura crítica de la grieta para el esfuerzo igual a resistencia teórica). d)La capacidad de absorber la energía elástica liberada durante el crecimiento de grieta. En general, materiales dúctiles tienen la tenacidad a la fractura más alta que los materiales frágiles. e)Al aumentar la temperatura, normalmente se aumenta la tenacidad a la fractura (ej. – ensayo de impacto, polímeros…). f)La estructura con los granos finos mejora la tenacidad a la fractura. 8.5.Aleaciones alta entropía: 5 componentes (mínimo): alta entropía de configuración (hasta 8). Las concentraciones parecidas (iguales). Solo una fase (e.G. CCC). 9.Ensayo Fatiga: Consiste en someter el material a esfuerzos cíclicos entre unos valores máximos y mínimos de tensión/compresión/torsión/flexión durante los ciclos necesarios hasta la fractura del material.Elementos de construcciones están bajo las acciones de esfuerzos periódicos debido a los movimientos de rotación, flexión, vibración,… tanto como bajo las variaciones de temperatura Aunque el esfuerzo cíclico esté por debajo del límite de fluencia, el material puede fallar después de numerosos ciclos como resultado de fatiga. 9.1.Etapas de fatiga: 1ª.La iniciación de una grieta de tamaño subcrítico (después un tiempo largo) 2ª.La grieta se propaga de modo gradual, -La grieta está más cerca al tamaño crítico de propagación dinámica. -El área de la sección de componente disminuye (sube el esfuerzo real). 5ª.Ocurre la fractura súbita del componente. 9.2.Sirve para: Determinar la vida útil de un material sometido a esfuerzos cíclicos. 9.3.Variaciones de esfuerzos: a)Complejos: En las alas de un avión. b)Simples: Ejemplo: a)Esfuerzo puramente periódico(sin)(σm=0). b)Esfuerzo cíclico positivo(σmin=0). c)Cargando alrededor de un valor medio(σmin>0). 9.4.Parámetros del ensayo: a)Esfuerzo máximo y mínimo: σmax, σmin. b)Esfuerzo medio: σm=1/2(σmax+σmin). c)Amplitud del esfuerzo: ∆σ=1/2(σmax-σmin) y σa=1/2(σmax-σmin). d)Frecuencia. e)Razón de esfuerzo: R=σmin/σmax. 9.4.Curva de Wöhler: a)Métodos de control: Ultrasonidos y Emisión acústica. b)Límite de fatiga: algunos materiales presentan un esfuerzo por debajo del cual la fatiga no produce una fractura. Aleación Fe: un límite de fatiga Aleación Al: una curva de Wöhler monótona decreciente, sin límite de fatiga. 9.5.Comentarios: a)Para una carga puramente periódica (R=-1) el límite de fatiga (si este límite existe) es aproximadamente una tercera parte del límite de fluencia. b)El límite de fatiga disminuye con el aumento de esfuerzo medio. c)Una curva de Wöhler es válida solo para los parámetros específicos de ensayo de fatiga (esfuerzo, frecuencia, condiciones ambientales,…). d)Un componente con las grietas presentes pudiera estar no en peligro si la velocidad de propagación de grieta es baja(dl/dN). 9.6.Velocidad crecimiento grietas: a)Rango de variación del factor de intensidad de esfuerzo que corresponde a la variación periódica de esfuerzo: Para σ=σmin => Klmin=σminJπl Para σ=σmax => Klmax=σmaxJπl. Parte 1: Crecimiento de grieta muy lento, el comportamiento de fatiga está controlado por la microestructura, la amplitud del esfuerzo y el medio ambiente. Parte 2: relación lineal entre log (da/dN) y log∆K:da/dN=C(∆K)^m. Microestructura es menos importante, pero el entorno y la frecuencia son importantes. Parte 3: el factor de la intensidad del esfuerzo alcanza el valor crítico KlC´ fallo rápido inestable. 9.7.Ensayo viga en voladizo rotatoria: El peso colgado sobre las carcasas de rodamientos provocan una flexión en la probeta. La velocidad de giro del motor permite regular la frecuencia de del esfuerzo periódico. Este ensayo genera unas condiciones de fatiga de R=-1. Tensión en la parte inferior, compresión en la parte superior de la viga. σmax=10.18Pl/d^3 (P:peso, l:longitud de la viga, d:diámetro de la viga).
10.Ensayo Fluencia: 10.1.Fluencia: Un ensayo en el cuál se aplica un esfuerzo constante. 10.2.Condiciones:a)Se produce a temperaturas superiores a 0,4 Tm (temperaturas homólogas T/Tm elevadas) b)Se produce bajo los esfuerzos por debajo del límite elástico c)Se realizan para provocar la fractura de material. 10.3.Etapas de fluencia:a)Deformación instantánea (elástica, anelástica, plástica). b)Deformación de fluencia primaria. c)Deformación de fluencia secundaria. d)Deformación de fluencia terciaria. e)Fractura. 10.4.Rapidez de fluencia: d&épsilon;/dt.
Movilidad de defectos cristalinos. 1.Difusión(transferencia de la masa): La difusión es el flujo neto de átomos (iones, vacantes, …) que van de una zona de alta concentración a una de baja concentración. Los defectos de estructura cristalina no están “congelados” en la red cristalina: a)Un modo de movimiento es deslizamiento de los defectos lineales – dislocaciones. b)Deslizamiento: un movimiento colectivo o cooperativo de un número grande de los átomos que forman la dislocación. c)Deslizamiento de dislocaciones es responsable de deformación plástica en materiales cristalinos. d)La fuerza motriz de deslizamiento es el esfuerzo cortante que provoca la fuerza de Peach Koehler por unidad de longitud de dislocación: fPK=tb. 1.1.Tipos de movimiento(átomos individuales): a)Movimiento oscilatorio(vibraciones térmicas): sin cambio de la posición de equilibrio b)Movimiento translacional: resultando en cambio de la posición del átomo en la red cristalina – difusión. c)Diferencia fundamental del origen de los dos tipos de movimiento: ca)Movimiento oscilatorio: existe siempre (incluso a T=0 K) “Fuerza motriz”: Energía de la red cristalina, efectos cuánticos (fonones). cb)Movimiento translacional: significativo solo a temperaturas elevadas, T>0.3 Tm (Tm – la temperatura de fusión) “Fuerza motriz”: Termodinámica, diferencias en concentraciones de átomos de impureza, diferencia en temperatura…. Existe en estado no equilibrio de material. 1.2.Condiciones: a)Existencia de como mínimo de dos tipos de átomos (iones, vacantes, …) en sólido. b)La distribución heterogénea de los átomos (iones, vacantes,…), las zonas de concentraciones diferentes (estado de no equilibrio termodinámico). 1.3.Dirección de difusión: Tal como conseguir la distribución homogénea en el volumen de material (estado de equilibrio termodinámico). 1.4.Intensidad difusión en sólidos: Afectada por: a)La presencia de vacantes (más alta concentración, más intensa es la difusión). b)La subida de la temperatura (más alta la temperatura, más intensa es la difusión). c)El nivel de empaquetamiento de la estructura cristalina (más alto es factor de empaquetamiento, más difícil es la difusión). 1.5.Importancia difusión Ingeniería materiales: a)Tratamiento térmico de los metales para mejorar sus propiedades mecánicas. b)Fabricación de materiales cerámicos. c)Metalurgía de polvo. d)Fabricación de semiconductores, celdas solares. e)Conductividad eléctrica de materiales cerámicos. 1.6.Difusión por vacantes: Un átomo salta de su posición a una posición cercana donde hay una vacante. 1.7.Difusión sustitucional (átomos sustitucionales), autodifusión (átomos de la red) Corresponde a los flujos de átomos y vacantes en sentidos opuestos Requiere presencia de una vacante como el primer vecino. Autodifusión normalmente no afecta el comportamiento de material. 1.8.Mecanismos: Para que haya difusión, los átomos necesitan un aporte de energía extra para poder superar la barrera de energía para pasar de su sitio estable inicial al siguiente La energía necesaria para superar la barrera de energía (llamada energía de activación) se aporta la energía térmica El movimiento a través de una barrera de energía con asistencia de energía térmica (no en forma de vibraciones térmicas sino en forma de fluctuaciones térmicas es un paradigma general en física y química La frecuencia de movimiento a través de la barrera viene dada por la ley de Arrhenius (Svante Arrhenius). a)Mecanismo intersticial: Un átomo de impureza (pequeño, C, H,…) difunde de forma intersticial directa cuando pasa de un lugar intersticial a otro primer vecino sin desplazar permanentemente ningún átomo de la red. Hay mucho más sitios intersticiales en la red que las vacantes => la difusión intersticial es mucho más intensa que la difusión por vacantes. b)Mecanimso de difusión por vacantes: La energía de activación para la difusión por vacantes es mayor que para la difusión intersticial, por tanto esta última se da más fácilmente. 1.9.Velocidad de difusión: Se mide mediante el flujo J, que se define como el número de los átomos que pasa a través de un plano de superficie unitaria por unidad de tiempo. 1.10.Energía de activación: a)La energía de activación para el Fe CCC es más alta que para el Fe CC. b)Los datos son solo para las temperaturas T> 500 ºC. 1.11.Interdifusión(con velocidades diferentes): Efecto Kirkendall: Cuando hay interdifusión, una de las dos especies difunde más rápido que la otra y por tanto la interfase se desplaza. Esto puede provocar que partículas o impurezas en la interfase pueden terminar dentro del material. a)Marcadores Neutros(Mo y Ta): Formación de los poros en el material con la interdifusión más intensa. 1.12.Aplicaciones:a)Control de la estructura de los metales (densidad de dislocaciones, precipitados, tamaño de los granos) mediante tratamientos térmicos. b)Sinterización de cerámicas, metalurgia de polvo. c)Soldadura por difusión.
Propiedades térmicas: Calor específico (capacidad calorífica), expansión térmica, conductividad térmica Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a su respuesta producida por la energía en forma de calor. 1.Capacidad calorífica y calor específico (como absorbe la energía): a)Capacidad calorífica C: Energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de un mol de material, unidades J/(mol*K). b)Calor específico c: Energía necesaria para aumentar en un grado la temperatura de un kilogramo de material, unidades J/(kg*K)(c=C/M). Cantidad de energía (calor) acumulada por la masa m de un material al variar su temperatura por ∆T (o calor necesario para calentar la masa m por ∆T) es proporcional a la masa, el incremento de temperatura y el calor específico del material(∆Q=cm∆T). c)Contribuciones calor específico: -Metales: Energía vibracional de la red cristalina (fonones) Los electrones deslocalizados (solo metales), de menor importancia. –Ley de Dulong-Petit: para las temperaturas elevadas. 2.Conducción térmica (como la conduce). 3.Expansión térmica (como varían sus dimensiones): Cambio de las dimensiones del material como respuesta a una variación de temperatura. a)Coef. Lineal de expansión térmica, α, es el cambio en dimensiones que experimenta el material por unidad de longitud (de la pieza) y por grado de temperatura. b)Origen expansión térmica: La expansión térmica se debe a la asimetría de la curva de la energía del enlace entre átomos Para cada estado de energía cambia la distancia interatómica de equilibrio y el material varia sus dimensiones Si la curva es simétrica, la distancia interatómica de equilibrio no varía, por lo que el material no dilata. –Enlace covalente: el mínimo de la curva de energía del enlace es más profundo y la curva es más simétrica que del enlace metálico⇒los sólidos covalentes dilatan poco en comparación con los metales. -Enlace metálico: más alta la temperatura de fusión, más profundo y más simétrico es el mínimo de energía: Energía enlace ↑=>T.Fusión↑=>α↓. c)Aplicaciones y consecuencias: Bi-metal: Sistema formado por dos metales de diferentes coeficientes de expansión térmica, que se utiliza como sensores/actuadores sensibles a la temperatura (p. Ej. Protección térmica). d)Consecuencias: Un material homogéneo y enfriado/calentado uniformemente y lentamente se expande/contrae uniformemente En un material con la expansión/contracción restringida una variación de temperatura ∆T provoca esfuerzos térmicos Los esfuerzos térmicos se calculan a partir de la ley de Hooke (si la deformación es elástica). 5.Conductividad Térmica: Medida de velocidad con la que la energía calorífica (vibracional y electrónica) se transmite en un material Si existe en una construcción un gradiente de temperatura ∆T/∆x a lo largo de dirección x: el calor Q transmitido a través de un plano de área A perpendicular al x por segundo. a)Origen Conductividad Térmica: La energía térmica se transfiere a través de los sólidos mediante dos mecanismos: movimiento de los electrones y vibraciones de la red (fonones). Ktotal=Kfonones+Kelectrónica Normalmente Kfononesónica.>b)Factores que afectan la conductividad térmica: –La estructura cristalina -La densidad de los defectos (dislocaciones, vacantes, fronteras de granos,…) -La microestructura del material (homogénea o no) -La temperatura. c)Metales: el mecanismo de movimiento de los electrones es el dominante. Los electrones de conducción se mueven de la zona caliente hacia la regíón más fría, chocando con los iones de la red y transfiriéndolos una parte de su energía (calor). d)Cerámicas: La conducción de calor se da por vibraciones de la red (fonones) Ktotal= Kfonones +Kelectrónica(tachado(NOO)): -Los valores intrínsecos de conductividad térmica son inferiores a los de los metales -Debido a la alta porosidad durante el procesado, el valor de la conductividad térmica se reduce aún más. e)Polímeros, vidrios: La conductividad térmica en polímeros y vidrios es muy baja. f)Consecuencias:Choque térmico en los materiales frágiles: -Un cambio brusco de temperatura puede provocar la aparición de un gradiente de temperatura debido a conductividad térmica limitada. -Los gradientes de temperatura provocan los valores de contracción/expansión diferentes en las partes diferentes de material y esfuerzos térmicos -creación y propagación de grietas y la fractura de material La resistencia del material al choque térmico se cuantifica con el parámetro de choque térmico R: R=σfK(1-ν)/Eα 6.Origen Temperatura proviene del estudio de los gases: la temperatura es una medida de la velocidad media de las moléculas del gas En los sólidos, la temperatura es una medida de las vibraciones de la red cristalina, al aumentar la energía de vibración de los átomos aumenta su frecuencia y amplitud y aumenta la temperatura Se define una partícula (o una onda elástica)–fonón, con la subida de temperatura sube la energía de fonones. 7.Escalas de temperatura: Para la medida de la temperatura habitualmente se usan escalas de temperatura diferentes Las escalas se definen tomando dos puntos de referencia. a)Escala Celcius (ºC): Coge el punto de fusión del hielo como 0ºC y el de ebullición del agua como 100ºC a presión atmosférica. b)Escala Kelvin (K): Se llama temperatura absoluta. El origen o T=0K corresponde al cero absoluto, la energía interna más baja que puede tener un sólido. El segundo punto se refiere al punto triple del agua T=273.16K (P=612 Pa). Unidad del sistema internacional (SI). c)Escala Fahrenheit (EEUU) (ºF): Coge el punto de fusión del hielo como 32 ºF y el de ebullición del agua como 212 ºF Los grados Farenheit son más pequeños que los grados Celsius y Kelvin.
Tests: Cuál es el orden de magnitud de la energía de enlace iónico? A)0.1 eV b)1 keV c)10 eV d)10-2 eV
Definir el vector de Burgers: vector que se requiere para cerrar un contorno de circulación que contiene una dislocación es el vector de Burgers de la dislocación.
El número de coordenación para un sitio intersticial cúbico es a)4 b)6 c)8 d)12
El sistema de deslizamiento de dislocaciones en la estructura CC es: a){110}<110> b){110}<111> 111>110>c){111}<110>110> d){111}<111> e){100}<110>110>111>
En general, los valores del límite elástico de distintos tipos de materiales obedecen la siguiente desigualdad matemática: σy.Cerámicas σy.Polímeros σy.Metales: Falso
Entre los ensayos mecánicos sólo el ensayo de tensión permite determinar el módulo de Young. Falso
La concentración de vacantes en equilibrio térmico no depende de temperatura: Falso
La densidad de dislocaciones se mide en a)cm/cm^3 b)cm c)cm3 d)g/cm3
La ductilidad se caracteriza por dos parámetros: Porcentaje de reducción de área Porcentaje de elongación: Verdadero.
La existencia de estructuras cristalinas diferentes del mismo elemento se llama: a)isotropía. B)isomería. C)anisotropía. d)alotropía.
Las unidades del módulo de resiliencia son: a)J b) MPa c)J/m3 d)No tiene unidades
Los átomos intersticiales siempre provocan la deformación de la red cristalina por compresión: Verdadera
Los átomos sustitucionales siempre provocan la deformación de la red cristalina por tensión. Falso
Los materiales con el límite elástico más alto son más tenaces. Falso (Son más tenaces los que no son ni tan altos ni tan bajos).
Los parámetros de la red cristalina son: a)tres longitudes y tres ángulos. b)tres longitudes.C)volumen y área de superficie de la celda unitaria.D)tres planos atómicos relevantes.