Estructura Cristalina

1er Nivel: Un átomo se une a otro (unión de dos átomos)>Estruct. Atomica-Molecular. 2º Nivel: Al unirse dos moléculas> Estruc. Cristalina (ordenada)-No Cristalina (amorfa). 3er Nivel: Micro estruct. (materiales policristalinos). 4ºNivel: Macroestruct.>lo que podemos ver.

Enlaces primarios: iónico, metálico y covalente. Son los más fuertes, requieren mucha energía para separarlos. Enlaces secundarios: Van der Waals, puente de hidrogéno. *Los polímeros: son los menos resistentes porque están unidos por enlaces débiles.

Sólido Cristalino: orden de corto y largo alcance; siempre existen en ordenamiento en las 3 direcciones del espacio, se repite la misma estruc. Sólido amorfo: orden de corto alcance; no hay ningún patrón que se repita en 3 dimensiones.

Celda Unitaria: define la estruct. cristania de un material; viene definida por 6 parámetros, reticulares, la longitud de los 3 aristas y los ángulos.

Sistemas y redes cristalinas: Cúbico: la celda cúbica tiene 3 redes cristalinas: -Cúbica simple: tiene un átomo en cada vértice. -BCC: átomo por vértice y otro en el centro. -FCC: átomo por vértice y otro en el centro de cada cara.

Alotropía y polimorfismo: Un elemento puro (alotropía) o sustancia/molécula (polimorfismo) puede adoptar distintas estruc. cristalinas segun condiciones de T y P.

Factor de Empaquetamiento atómico: FEA=Vátomos/Vceldilla_Unitaria.

Intersticios: Espacios libres de una celda unitaria ocupada por átomos. Presentan geometria octaédrica o tetraédrica. Todas las redes tienen intesticios ya que no tienen FEA del 100%, estos intersticios se utilizarán para las aleaciones, puesto que introducimos átomos diferentes. 

Dirección cristalográfica: Componentes del vector [u v w] reducidas al valor entero más pequeño. Si es una familia de direcciones cristalográficas equivalentes .

Las direcciones pueden ser: si tienen huecos> no compactas; si esta toda ocupada> compacta. En la BCC la única direccion compacta es la diagonal interna. En la FCC hay 6 direcciones compactas; una

por cara.

Factor de Empaquetamiento Lineal: long. ocupada por átomos/ long. de la dirección.

Plano Cristalográfico: Si pasa por el origen se coge otro paralelo o se cambia el sistema de coordenadas; corta o es paralelo a cada uno de los ejes; si es paralelo a un eje lo corta en el infinito. (h k l)> es un plano. {h k l}> familia de planos> poseen el mismo número de atomos. Caras del cubo: (1 0 0) (0 1 0) (0 0 1).

Diagonales de las caras del cubo: (0 1 1) (1 1 0) (1 0 1). Diagonales del cubo: (1 1 1).

En la BCC no hay ningún plano compacto, en la FCC las 6 caras del cubo serían la familia puesto que poseen el mismo nº de átomos.

Factor de empaquetamiento planar: FEP=superficie ocupada por átomos/superficie del plano.

Tema 2: Imperfecciones cristalinas. Un sólido ideal no existe, tiene un gran número de defectos. Un defecto cristalino es una irregularidad en la red en la cual una o más de sus dimensiones son del orden de un diámetro atómico. Tres defectos: -D.Lneales. -D. Superficiales.

Vacante: Posición atómica desocupada en la red, son defectos de equilibrio.

Autointesticial: Átomo desplazado que ocupa un intersticio de la red. Provoca una gran distorsión en la red y es menos probable.

Impurezas sustitucionales: Un átomo de un material se cambia por un átomo de otro material. Siguen las leyes de Hume-Rothery.

Impurezas intersticiales: Un átomo de menor tamaño se mete en los intersticios.

Condiciones de Hume-Rothery: 1.-«delta»r(radio atomico). 2.-Proximidad en la tabla periodica (Electronegatividades similares). 3.-Misma estructura cristalina. 4.- Valencia (Un metal presenta mayor tendencia a disolver a otro de mayor valencia que a uno de menor valencia. **Si no se cumple una o mas de las reglas de Hume-Rothery solo es posible obtener solubilidad parcial.

Defectos lineales. Dislocaciones: Las dislocaciones de borde originan una distorsión en la red cristalina entorno a una línea de átomos desajustados. Campo elástico asociado a una dislocación de borde. Movimiento de dislocaciones de borde: El deslizamiento se produce por movimiento sucesivo al frente de dislocación. Es fácil porque es un número pequeño de átomos el que hay que romper. No es necesario romper todos los enlaces metálicos para producir el deslizamiento, sinó que basta con aportar la energía necesaria para el movimiento de las dislocaciones.

La resistencia de un metal a la deformación plástica es 10.000 veces inferior al valor teórico. Los materiales de ingenieria presentan densidades de dislocación muy altas. La deformación plástica resulta del movimiento de dislocaciones en respuesta a la tensión aplicada. Para endurecer un metal basta con impedir que las dislocaciones se muevan a lo largo del cristal. Las dislocaciones siempre van buscar planos y direcciones compactas, por este motivo la FCC (12 sistemas de deslizamiento) implica que sea dúctil.

Mecanismos para frenar dislocaciones e incrementar resistencia: -Dificultar el movimiento de las dislocaciones> mediante dispersióin de partículas muy finas> endurecimeinto por precipitado. -Bloqueo de de dislocaciones: «anclar» las dislocaciones mediante átomos de soluto> provoca un fortalecimiento de la aleación útil para los materiales estructurales. -Aumento de la densidad de dislocaciones: mediante trabajado en frío (Acritud).

Defectos Superficiales: Las superficies externas son las regiones de máxima energía del cristal, los átomos del borde tienen más reactividad química, es decir, reaccionan antes. Los Límites de Grano separan zonas con diferente orientación cristalográfica, suponene una barrera al movimiento de las dislocaciones. Los granos tienen muy similar el tamaño, y la misma dispersión atómica, pero dependiendo de por donde los cortemos podemos ver granos de distintos tamaños.

Velocidades de Nucleación y Crecimiento: mayor nuclean, menor crecimiento>Muchos núcleos>tamaño de grano peqeuno>aleaciones más resistentes>más barreras> más resistencia. menor nucleacion, mayor crecimiento>tamaño de grano pequeño.

Determinación del tamaño del grano> N=2^n-1

Macla:Es un defecto superficial pero que se produce dentro de un cristal. Los límites de macla separan dos regiones de un cristal con simetria especular. No todas las aleaciones presentan maclas. El maclaje ocurre en planos cristalográficos definidos y en direcciones específicas. FCC: maclas de recocido. BCC: maclas mecánicas.

Solo afecta a una pequeña parte del volumen total del cristal, origina cambio de orientación; pequeña deformación que sitúa nuevos sistemas de deslizamiento con orientaciones favorables.

Tema 3: Solidificación y transformación.

Mecanismo de Solidificación:2 etapas>1Nucleación (Formación de núcleos sólidos estables)>2Crecimiento(Crecimiento de los núcleos por incorporación de átomos del líquido hasta consumirlo totalmente. El agrupamiento de átomos que se produce durante la solidificacion debe alcanzar un tamaño crítico (rc) para solido sea estable. Sinó alcanza el tamaño crítico es un embrión>inestable y redisolución.

Curva de enfriamiento. A-B: Gérmenes: Temp. de subenfriamiento (delta de T=Tf-T1). B-C: Núcleos: desde subenfiramiento hasta T solidificación. C-D: Crecimiento: temp. de solidificación. Sobrecalentamiento: delta prima de T= Tcolada-Tf.

Nucleación Homogénea: Se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por si mismo los átomos para formar el núcleo (se crean numerosos núcleos homogéneos por movimiento lento de átomos que se mantienen juntos). La nucleación homogénea requiere un elevado delta T.

Nucleación Heterogénea: Tiene lugar sobre cualquier partícula (Agente de Nucleación=sirve de soporte o agrumiento de átomos) que disminuya la energía libre para formar un núcleo estable.

Agente de Nucleación: -Paredes del Molde. -Impurezas no solubles. -Partículas sólidas añadidas.

Crecimiento: r>rc: Una vez formado el núcleo, crece por incorporación de átomos del líquido hasta formar un agregado policristalino. El crecimiento anisótropo (direccional) la magnitud depende de la dirección, lleva a un crecimiento dendrítico, esta estructura densritica se puede eliminar con tratamiento térmico o conformado.

Endurecimiento por disminución de tamaño de grano (afino de grano): -Incrementar el subenfriamiento. -Añadir agente de nucleación. -Agitación del líquido.

Solidificación en lingotera: Estructura granular heterogénea.//-Molde Metálico Frío>Cristales Columnares, grandes y fáciles de destruir. -Molde metálico caliente>Cristales columnares en lsa esquinas (enfriamiento rápido), y equiaxiales en el centro. -Molde de arena>Cristales equiaxiales: Presentan múltiples direcciones pudiendo obtener un material bastante isótropo.

Los moldes metálicos tienen unos cristales en el borde, debidos al enfriamiento rápido causado por el metal, que extrae calor rapidamente, se generan rapidamente. Con el molde de arena conseguimos un material más isótropo y no tenemos que romper los cristales para que sean más pequeños, ya tenemos las propiedades necesarias. La estructura columnar no es deseable por la anisotropía de propiedades que confiere al material, que puede causar agrietamiento del mismo. Influye factores como: -Refrigeración de la pieza y conductividad térmica del material del molde. -Dimensiones de la pieza. -Grado de agitación. -Adición de agentes nucleantes. -Cambios alotrópicos.

Defectos de Solidificación:-Rechupe. -Sopladuras y poros.// Rechupe:Contracción líquida+contracción por solidificación. Tipos de rechupe: -Macrorrchp.(Se localiza en el sitio en que el metal líquido solidifica en último término, para eliminarlo tenemos -diseño especial de moldes; -Empleo de mazarotas(son depósitos suplementarios diseñados en los moldes para alimentar con metal fundido las cavidades que se generan por contracción durante la solidificación); -Solidificación dirigida; -Colada continua// -Microrrch. (Aparece en los espacios interdendríticos rellenos por líquido no conectado con el resto del metal fundido) Es dificil de detectar y eliminacion con posterior trabajo en caliente.

Sopladuras y poros: originadas por el desprendimiento gaseosos que se producen durante la solidificacion. Para eliminarlo empleo baja T de colada; -mantener metal en cuchara, evitar arrastre de aire al molde; -colada en vacio; -disponer de salidas en los molde (pinchazos); -empleo de correctores químicos (calmado de los aceros).

Constitucion de Aleaciones (Conceptos básicos): -Aleacion: mezcla de materiales. -Aleacion metalica: mezcla de un metal y otros elementos quimicos metalicos y/o no metalicos, tiene propiedades metalicas. Un sistema de aleacion contiene todas las aleaciones que se pueden formar combinando varios elementos en todas las proporciones posibles; dos elementos: binario; tres elementos: ternario… -Componentes de una aleacion: especies quimicas que la forman (elementos o compuestos). -Fase: porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas uniformes. Fases posibles en estado solido metalico: metal puro, compuesto y solucion solida./// Clasificacion: Aleaciones pueden ser: -Homogeneas (Monofasicas): 1.-Soluciones solidas. 2.-fases intermedias. -Heterogeneas (Polifasicas): 1.-De metales puros. 2.- De compuestos. 3.-De soluciones sólidas.

Soluciones sólidas: Sólido que consta de uno o más elementos dispersos automáticamente en una única red cristalina. Monofase sólida: cristalina formada por disolución de átomos de un elemento (soluto) en la red cristalina de otro elemento (disolvente).

Proporcion del soluto: -Serie continua: el soluto sustituye al disolvente en cualquier proporcion. -Terminal: Con límite de solubilidad. -Intermedia: Solubilidad comprendida entre minimo y maximo. Dif. estructura cristalina.

Compuestos: Se forman por afinidad entre los elementos.

-Caracteristicas: 1.-Proporciones definidas. 2.- Red cristalina propia. 3.- Enlace iónico o covalente.

-Propiedades: 1.-Puntos de fusion mas alto que los dos componentes. 2.-Dureza, resistencia elevada. 3.-Fragilidad.

Tipos de Compuestos: -C. Intermetalicos. -C. Intersticiales. -C. Electronicos.

Tema 4: Diagramas de Fase I.

Línea de Sólidus: Máx. temp. a la que puedo trabajar una aleación metálica. Por debajo de esta línea sólo tengo fase sólida.

Intevalo de Solidificación: Es la capacidad que tiene esa aleación para obtener una pieza por moldeo. Esta zona se encuentra entre la l. sólidus y líquidus. Cuanto menor sea el intervalo más fácil será el moldeo.

Línea de Líquidus: Nos permite saber la temperatura de colado, por encima de esta línea solo hay fase líquida.

Cada vez que cambie la pendiente en la curva de enfriamiento de una aleación mecánica significa que aparece o desaparece una nueva fase. Si tenemos Líquido+Sólido no es una fase.

Ley de Gibbs: Para uns sistema en equilibrio puede establecerse la siguiente relación entre el mínimo de fases (P), el número de componentes del sistema (C) y los grados de libertad (F)> F+P=C+2. Si estamos a P=cte> F+P=C+1. Para sistemas binarios, c=2> F=3-P.

Grados de Libertad: Número de incógnitas que puedan fijarse en un sistema sin romper el equilibrio. Por ejemplo: si fijo temperatura y composición fija el grado de libertad es 0 y es un punto. Como máximo se pueden se pueden dar 3 fases de equilibrio.

Regla de la Palanca: La regla de la palanca nos indica cantidades relativas de las fases.

Línea de Vínculo: A una determinada To une la línea de líquidus y la línea de sólidus. El trazado de esta línea de vínculo permite obtener la composición de las fases en equilibrio de esa zona y sus cantidades relativas. %Líquido=(Máx-Pto)/(Máx-Mín)x100. %Sólido=100-%Líquido. Las composiciones químicas en los diagramas de fases se leen y las cantidades relativas se calculan con la línea de vínculo aplicando la regla de la palanca.

Enfriamiento en condiciones de equilibrio (Diagrama de eq. CU-Ni): Consiste en esperar el tiempo necesario para que el equilibrio en cada infinitésimo de temperatura. La difusión en estado sólido es el proceso más lento ya que consiste en transportar un átomo dentro de una estructura. Situación ideal: Velocidad de enfriamiento muy lenta para permitir la difusión del Cu y Ni. En ocasiones consigue con moldeo de arena.

Enfriamiento fuera de las condiciones de no equilibrio: La difusión rápida en líquido y lenta en sólido provoca que la composición del sólido que se forma dependa de la velocidad de solidificación, se establece un gradiente de concentraciones, siendo el centro de los gramos rico en el componente de mayor Tm (Temperatura de fusión) y la zona exterior es más rica en el componente de Tm más bajo. Esto provoca la Microsegregación.

Micosegregación: Defecto químico que consiste en una composición no uniforme producida por la solidificación fuera del equilibrio. Tiene como consecuencia un fallo mecánico prematuro si se produce recalentamiento, ya que el borde rico en componente de menor Tm, funde antes. Para eliminar este defecto se emplea un recocido de homogenización que consiste en favorecer el proceso de difusión en estado sólido.

Macrosegregación: Heterogeneidad en la composición entre las distintas partes del sólido. Para solucionarlo se realiza un procesado en caliente. **Cuproníqueles: se caracterizan por una excelente resistencia a la corrosión, «antifouling», fácil manufactura. Se emplean en intercambiadores de calor, válvulas, bombas, industria química.

Insolubilidad Total. Reacción eutéctica: Reacción invariante, reacción de solidificación>F=0>3=P. Tenemos 3 fases en equilibrio y se produce a una temperatura y composición química fija.

Espaciado interlaminar: La formación de una mezcla eutéctica solidifica porque un componentes solidifica y el otro también lo hace. La solidificación de la aleación eutéctica se produce a temperatura cte y es incongruente (el líquido y las fases sólidas presentan diferente composición). Las propiedades de la mezcla eutéctica no tienen nada que ver con los elementos que la forman. El espaciado interlaminar se mide desde la mitad de una lámina hasta la mitad de la lámina siguiente de la misma fase. Si se reduce el espaciado interlaminar la resistencia y la velocidad de enfriamiento aumentan.

Reacciones eutécticas anormales o disociadas: Una eutéctica se denomina «anormal» cuando las fases que la forman difieren notablemente en sus temp. de fusión y en sus cantidades relativas.

Modificación de los Siluminios: Las morfologías angulosas producen concentración de tensiones, favoreciendo la rotura, esto pasa en los cristales cuboides o aciculares de silicio, es decir, tiene baja tenacidad. Para corregir se añaden pequeñas cantidades de Na antes de colar, hacen que se transforme en una reacción hipoeutéctica, porque va a una composición mayor de silicio y la temperatura a la que se da la reacción baja. El sodio produce subenfriamiento y desplaza la composición de la eutéctica hasta el 14% de Si. Los siluminios modificados tienen una estruct. más fina y redondeada lo que conlleva un menor efecto de entalla y los hace más tenaces.

Endurecimiento por Precipitación: Aleaciones bifáscias: Al-Cu: Se basa en dificultar el avance de los precipitados. Para aplicar este tratamiento térmico el diagrama debe mostrar solubilidad sólida parcial y pendiente positiva en la línea de Solvus.

Línea de Solvus: Indica la variación de solubilidad en función de la temperatura, separan campos monofásicos de campos bifásicos en estado sólidos. OJO: si la aleación metálica en el enfriamiento presenta línea Solvus, indica que esa aleación es susceptible de ser endurecida por precipitación.

Cont. Tema 4: Precipitados coherentes e incoherentes de la matriz: -Incoherente: la fase de equilibrio Al2Cu es tetragonal e incoherente con la matriz. -Coherentes: Estruct. de transición denominadas Zonas de Guinier Preston, GP. Son coherentes con la matriz, con los átomos de Cu ocupando posiciones del cristal de Al. La formación de estas zonas conduce a una gran distorsión en la red, y por lo tanto al endurecimiento de la aleación. Estas zonas anclan las dislocaciones lo que provoca un aumento de la resistencia. Podemos decir que consiste en disolver algo de cobre en la matriz de aluminio.

Consideraciones generales del endurecimiento por precipitacion: -Matriz dúctil y blanda+precipitado resistente y duro>freno a las dislocaciones. -Matriz continua y precipitado discontinuo. -Partículas pequeñas y numerosas incrementan la interferencia, muchas barreras a las dislocaciones. -La resistencia de la aleación aumenta con el contenido de precipitado. -Las partículas redondeadas no actúan como concentradores de tensión, no fragilizan como lo hacen las formas angulosas.

Etapas del TT de endurecimiento por precipitación: Bonificado=hipertemple+maduración. Calentamos la microestrut. inicial a una T inferior a la l. sólidus pero sup. ala solvus, mantenemos esa temperatura y luego realizamos el hipertemple que consiste en un enfriamiento rápido que impide que el cobre salga de la matriz, este enfriamiento debido a ser tan rápido está fuera de condiciones de equilibrio. Con este hipertemple conseguimos una solución sólida sobresaturada en cobre. Por último en la etapa de maduración o envejecimiento elevando un poco la T conseguimos que los granos de cobre se mezclen dentro de los de alumnio.

Diagramas con fases de fusión congruentes: La formación de compuestos se representa mediante una línea vetical en el diagrama. En este están los puntos de fusión congruentes, por ella se puede dividir en los diagramas. Las fases intermedias pueden tratarse como otro componente en el diagrama de fases. El diagrama puede simplificarse estudiando las diferentes regiones por separado.

Reacción peritéctica: La reacción tiene lugar a lo largo de la superficie del grano. La microestruct. final está formada por granos de solución sólida (alpha) rodeados por la fase betta.

Sistemas peritécticos. Solidificación fuera del equilibrio: Encapsulacmiento de la fase primaria alpha y finaliza la solidificación. Como obtenemos diferente material entre el núcleo y el resto tenemos peligro de microsegregación, para eliminarse se realiza un recocido de homogenización.

Tema 5: Diagramas II

Fundiciones de Hierro: -Se necesita silicio como elemento para evitar que se forme la cementita. -Sus propiedades vienen dadas por: –Diagrama. –Morfología de constituyentes. –Contenido en carbono. Clasificación: -F. blancas (solidifican a través de una reacción eutéctica): –Hipoeutéctica. –Eutécticas.–Hipereutécticas.//-F. grises (el grafito está en forma de láminas o módulos): –F.G. modulares. –F.G. Laminares (tenemos las tres anteriores, hipo, eu…)//-F. maleables: fundidiones que sometidas a un tratamiento cambian de blancas a grises.

Fundiciones grises: -equilibrio estable entre Fe-C. -Tienen carbono, grafito y silicio (1%) que permite grafitización. -La reacción eutéctica no es estable a Tamb.

Vías para mejorar comportamieno de fund. grises: -Añadir pequeñas cantidades de Mg o Cerio. -Velocidad lenta de enfriamiento.

Las fundiciones grises por culpa de las microestruc. están limitadas en propiedades mecánicas ya que el carbono graftio solidifica mucho antes formando las láminas por la diferencia de los puntos de fusión. No son muy utilizadas debido a la tremenda fragilidad. Se emplean en tapas de alcantarilla y estatuas (caballos Pl. España).

Propiedades y Aplicaciones: Buena colabilidad, mecanizables, amortiguan vibraciones, buena resistencia al desgaste, buena conductividad térmica, buena resist. a corrosión, mal comportamiento a la tracción pero bueno a las resistencia por compresión y baja tenacidad.

Fundiciones blancas: Se forman en la reacción eutéctica a  1154ºC, formándose la ledeburita. Mecánicamente las fundiciones blancas son extremadamente duras y muy frágiles, su deficiente comportamiento mecánico se debe a que la matriz es la cementita. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste.

Vías para mejorar comportamiento de fund. blancas: -Tratamiento térmico: Calentamiento a alta temperatura (800-900ºC) durante periodos prolongados de tiempo. La cementita se descompone y forma grafito en forma de rosetas>Fundición maleable. En función de la velocidad de enfiramiento la matriz será perlítica o ferrítica.

Clasificación de los aceros:-Método de obtención. -Método de fabricación. -Utilización y propiedades. -Contenido en carbono. -Aleación. -Microestruct. (ferríticas, perlíticas, ferrito-perlíticos, bainíticos y martengíticos)

Aceros ferríticos (%C -Estruct. 100% ferrítica. -Prop y aplic (altisima conformabilidad: facil darle forma; propied electromagneticas: pueden variar con la temp.) -Aceros comerciales de ultrabajo carbono.

Tecnicas de fortalecimiento: Son muy blandos y necesitamos endurecerlos: afino de grano: reducir el tamaño del grano para más resistencia.

Aceros ferrito-perlíticos: Aceros hipoeutoides: -Estruct. ferrítica proeutoide+perlita. -Propied. y aplic.: edificación, chapa naval, tuberías, envases. -Técnicas de fortalecimiento: -disminuir espaciado interlaminar y dismin. tamaño de grano.

Aceros hipereutectoides: -Estruct. cementita proeutectoide+perlita (0.8-1.4%C): -Propied: -elevada dureza y resistencia al desgaste. -Bajísima ducilidad. -Aplicaciones: Generalmente se alean y tratan termicamente: herramientas de corte, matrices.

Aceros perlíticos: Aceros eutectoides: -Estruct. 100% perlita (ferrita+cementita). -Propied.: espacio interlaminar, tamaño colonia perlítica. En general: -alta resistencia, dureza y resist.al desgaste, poca ductilidad y tenacidad, temp. de transición dúctil-frágil>cerca de Tamb. -Aplicaciones: railes de ferrocarril, alambres de alta resistencia, herramientas.

Nomenclatura de Aceros. S: Construcción metálica. P:recipiente a presión. -L:tuberías. E:construcción mecánica B:aceros para hormigón armado. Y:pretensados R:Railes. S355:Acero para construcción metálica, Remin=355MPa. B500:Acero para hormigón armado, Re=500Mpa.