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ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACES
La estructura de un material puede ser examinado en cuatro niveles: estructura
atómica, arreglo de los átomos, microestructura y macroestructura. La estructura
atómica influye en la forma en que los átomos se unen entre si, esto estructura
nos ayuda a clasificar a los materiales como metales, semiconductores, cerámicos
y polímeros. Clasificación que nos permite poder conocer sus propiedades
mecánicas y comportamiento físico.
NUMERO ATOMICO
El número atómico de un elemento es igual al número de electrones o protones en
cada átomo. Se suele representar con la letra Z (del alemán: Zahl, que quiere decir
número). El número atómico es característico de cada elemento químico y representa una
propiedad fundamental del átomo: su carga nuclear.
Z = número de protones = número de electrones (para un átomo)
A menudo la masa atómica se llama peso atómico
Los átomos son la unidad básica estructural de todos los materiales de ingeniería.
Los átomos constan principalmente de tres partículas subatómicas básicas,
protones, neutrones y electrones. El modelo común consta de un pequeño núcleo
de alrededor de m de diámetro rodeado de una nube de electrones
relativamente poco dispersa y de densidad variable de modo que el diámetro es
del orden de m. El núcleo aglutina casi toda la masa del átomo y contiene
protones y neutrones, el protón tiene una masa de 1.673 x C. El neutrón es
ligeramente más pesado que el protón con una masa 1.675 x g, pero no
tiene carga. El electrón tiene una masa relativamente pequeña de 9.79 x g.
y una carga de -1.602 x C. La nube electrónica constituye de este modo casi
todo el volumen del átomo, pero, solo representa una pequeña parte de su masa.
Los electrones, particularmente la masa externa determinan la mayoría de las
propiedades mecánicas, eléctrica, químicas, etc de los átomos y así, un
conocimiento básico de estructura atómica es importante en el estudio básico de
los materiales de ingeniería.
MASA ATOMICA
Se llama número másico, A, al número de partículas que tiene un átomo en su
núcleo. Es la suma de los protones y los neutrones.
A = número de protones + número de neutrones
La relación existente entre ellos es:
Número másico = número atómico + número de neutrones
A = Z + N
NÚMEROS CUÁNTICOS DE ELECTRONES DE ÁTOMOS
La moderna teoría establece que el movimiento del electrón en torno a su núcleo y
su energía y esta caracterizado no sólo por un número cuántico principal sino por
cuatro números cuánticos: principal n, secundario l, magnético ml, y de spin ms.
El primero llamado número cuántico principal n, determina el tamaño del orbital y
la energía del electrón en el átomo. Define una capa o nivel del átomo y asume
valores de 1, 2, 3, 4..........
Cuanto mayor sea el valor de n, más se aleja la corteza del núcleo y por
consiguiente cuanto mayor es el número cuántico principal de un electrón, más
lejano esta el electrón (sobre una base de tiempo medio) del núcleo. También en
general, cuanto mayor es el número cuántico principal de un electrón, mayor es su
energía.
El segundo llamado número cuántico l, llamado número cuántico de momento
angular define el lugar donde el electrón se mueve. Para un valor dado de n, l
puede tomar valores de 0 hasta n-1. Este número cuántico específica los
subniveles de energía dentro de los límites de los niveles principales, y también
específica una subcapa donde la probabilidad de encontrar un electrón es alta si
ese nivel energético esta ocupado.
Las letras s, p, d, f se utilizan para designar a los subniveles energéticos l como
sigue:
Número de designación l = 0 1 2 3
Letra de designación l = s p d f
Los subniveles energéticos s, p, d, f de un electrón son términos orbitales.
El término orbital también se refiere a una subcapa de un átomo donde la
densidad de un electrón particular o de un par de electrones es alta. Así, podemos
hablar de una subcapa s o p de un átomo.
El tercer llamado número cuántico magnético ml , define la orientación del campo
magnético originado por el movimiento del electrón dentro del orbital y provee las
orientaciones posibles, esto es, el número de orbitales de cada tipo. Cada valor de
l da origen a valores de 2l +1 valores de ml es decir, 2l +1 diferentes orientaciones
o clases de orbitales con el mismo n y l.
A diferencia de los tres números cuánticos anteriores, el cuarto número cuántico
de giro ms no esta involucrado desde la ecuación de Schrodinger y fue postulado
gracias a experimentación espectroscópica llevada a cabo por Uhlenbeck y
Goudsmit; quienes determinaron que el número ms especifica la dirección de giro
en el espacio que tiene el electrón sobre su propio eje y que puede tomar valores
de - ½ ó ½ .
El número cuántico de spin tiene un efecto menor en la energía del electrón. Se
debe indicar que dos electrones pueden ocupar el mismo orbital, y si eso ocurre,
deben tener los spines opuestos.
TIPOS DE ENLACES ATOMICOS
Un enlace químico es el proceso físico responsable de las interacciones atractivas
entre átomos y moléculas, y que confiere estabilidad a los compuestos
químicos diatónicos y poli atómicos
ENLACE COVALENTE
Los enlaces covalentes son las fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos
no metálicos (los elementos situados a la derecha en la tabla periódica -C, O, F,
Cl,...).
Un enlace covalente se produce por compartición de electrones entre dos o más
átomos. Este tipo de enlace se produce cuando existe electronegatividad polar
pero la diferencia de electronegatividades entre los átomos no es suficientemente
grande como para que se efectúe transferencia de electrones. De esta forma, los
dos átomos comparten uno o más pares electrónicos en un nuevo tipo de orbital,
denominado orbital molecular. Los enlaces covalentes se suelen producir entre
elementos gaseosos no metales.
ENLACE IONICO
Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos (especialmente
los situados más a la izquierda en la tabla periódica -períodos 1, 2 y 3) se
encuentran con átomos no metálicos (los elementos situados a la derecha en la
tabla periódica especialmente los períodos 16 y 17).
En este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal,
transformándose en iones positivos y negativos, respectivamente. Al formarse
iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando
fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas
las llamamos enlaces iónicos.
Algunas características de este tipo de enlace son:
Son sólidos de estructura cristalina en el sistema cúbico.
Altos puntos de fusión (entre 300 °C o 1000 °C)2 y ebullición.
Son enlaces resultantes de la interacción entre los metales de los grupos I y
II y los no metales de los grupos VI y VII.
Son solubles, como en agua y otras disoluciones acuosas.
Una vez fundidos o en solución acuosa, sí conducen la electricidad.
En estado sólido no conducen la electricidad. Si utilizamos un bloque
de sal como parte de un circuito en lugar del cable, el circuito no funcionará.
Así tampoco funcionará una bombilla si utilizamos como parte de un circuito un
cubo de agua, pero si disolvemos sal en abundancia en dicho cubo, la bombilla
del circuito se encenderá. Esto se debe a que los iones disueltos de la sal son
capaces de acudir al polo opuesto (a su signo) de la pila del circuito y por ello
éste funciona.
Un ejemplo es el cloruro de sodio
TIPOS DE ENLACE COVALENTE
Existen dos tipos de sustancias covalentes:
Sustancias covalentes moleculares: los enlaces covalentes forman moléculas
que tienen las siguientes propiedades:
Temperaturas de fusión y ebullición bajas.
En condiciones normales (25 °C aprox.) pueden ser sólidos, líquidos o
gaseosas
Son blandos en estado sólido.
Son aislantes de corriente eléctrica y calor.
Solubilidad: las moléculas polares son solubles en disolventes polares y las
apolares son solubles en disolventes apolares (semejante disuelve a
semejante).
Redes: además las sustancias covalentes forman redes, semejantes a
los compuestos iónicos, que tienen estas propiedades:
Elevadas temperaturas de fusión y ebullición.
Son sólidos
Son sustancias muy duras (excepto el grafito).
Son aislantes (excepto el grafito).
Son insolubles.
ENLACE METALICO
Es el tipo de enlace que se produce cuando se combinan entre si los elementos
metálicos; es decir, elementos de electronegatividades bajas y que se diferencien
un poco. Habitualmente, las sustancias metálicas están formadas por átomos de
un solo elemento aunque también se obtienen por combinaciones de elementos.
ENLACE METALICO O DE BANDA
Consiste en un conjunto de cargas positivas que son los átomos metálicos
desprovistos de sus electrones de valencia, los cuales pertenecen y unen a todos
los cationes. Los metales en estado sólido forman un retículo cristalino
tridimensional, en cuyos nudos hay los cationes metálicos, y entre ellos se mueven
libremente los electrones de valencia. Puede decirse que los orbitales atómicos de
valencia se superponen en gran número dando lugar a bandas de energía
continuas en las que los electrones se desplazan libremente. Los electrones están
totalmente deslocalizados, lo que significa que el enlace es completamente
adireccional. En las sustancias metálicas, como en las iónicas, no existen
moléculas, es el cristal en su conjunto el que se considera como una molécula, ya
que los enlaces se extienden en las tres direcciones del espacio. Los sólidos
metálicos son excelentes conductores eléctricos y térmicos, debido a la existencia
de electrones libres, poseen brillo metálico y son tenaces, dúctiles y opacos.
EJEMPLO:
Un trozo de sodio metálico, los iones están localizados en una posición fija en el metal y
los electrones de valencia (uno por cada átomo de sodio) están libres para moverse entre
las varias nubes electrónicas.
ENLACE MIXTO
El enlace químico de átomos o iones puede involucrar más de un tipo de enlace
primario y también enlaces dipolares secundarios. Para el enlace primario existen
las siguientes combinaciones de tipos de enlace mixto:
○ Iónico - covalente
○ Metálico - covalente
○ Metálico - iónico
○ Iónico - covalente – metálico
1.- Enlace mixto iónico - covalente: La mayoría de las moléculas con enlaces
covalentes poseen algo de enlace iónico y viceversa. El carácter iónico parcial de
los enlaces covalentes se pude interpretar en términos de la escala de
electronegatividades. Cuanto mayor es la diferencia en las electronegatividades de
los elementos involucrados en un enlace iónico - covalente, mayor es el grado de
carácter iónico del enlace. El grado de carácter iónico en el enlace crece a medida
que lo hace la diferencia de electronegatividades entre los átomos del compuesto.
2.- Enlace mixto metálico - covalente: Se presenta frecuentemente, por ejemplo,
los metales de transición tienen enlace metálico - covalente mixto que involucra
orbítales enlazantes ds p. Los altos puntos de fusión de los metales de transición
son atribuidos al enlace mixto metálico - covalente. También en el grupo 4A de la
tabla periódica hay una transición gradual desde el enlace covalente puro en el
carbono (diamante) a algún carácter metálico en el silicio y germanio para
terminar, en estaño y plomo, con un enlace primordialmente metálico.
3.- Enlace mixto metálico - iónico: si se da una diferencia significativa de
electronegatividad en los elementos que forman parte del enlace intermetálico,
puede ser que exista una cantidad significativa de transferencia electrónica
(enlace iónico) en el compuesto. Así pues, algunos compuestos intermetálicos son
buenos de enlace mixto metálico - iónico.
ENLACE DE VAN DER WAALS O SECUNDARIO
El enlace van der waals, conocido también como fuerzas intermoleculares o
fuerzas de dispersión, se observa principalmente en los polímeros y en algunos
materiales de carácter no metálico (por ejemplo las arcillas). Se trata de enlaces
débiles de carácter electrostático.
En los enlaces iónicos o covalentes, siempre existe algún desequilibrio en la carga
eléctrica en la molécula (ej. Agua.. positivo en el H+ y negativo en el O-2). Este
mismo fenómeno se observa en el polietileno donde se manifiesta en los átomos
de C e H. el efecto es particularmente importante en moléculas complejas donde
existen diferentes elementos (polímeros: C, H, O, N, F, Cl, S y otros).
En los polímeros, se pueden distinguir dos tipos de materiales: termoplaticos y
termoestables. Los primeros esta constituidos por cadenas medianamente libres,
pero unidas a través de los enlaces de van der waals (funden y deforman), y los
termoestables que forman redes tridimensionales (rigidos y estables).
Algunas características Físicas:
Conducción Eléctrica: Escasa o nula, ya que prevalece el enlace original
(covalente).
Ductilidad: Si, en el caso de los termoplásticos, facilitado precisamente por
las fuerzas de van der waals.
Tipo de enlace secundario. Es mucho mas debil que los tres enlaces
primarios principales (ionico, covalente y metalico)
ESTRUCTURA CRISTALINA
La mayoría de los materiales sólidos no metálicos con los que uno a diario esta en
contacto, encuentra que no hay diferencia característica entre su forma externa y
la de casi todos los objetos metálicos. De aquí que resulte bastante sorprendente
para la mayoría de la gente saber que los materiales metálicos poseen una
estructura cristalina, mientras que materiales como la madera, plásticos, papel,
vidrio y otros no la poseen, éste tipo de materiales tienen un arreglo al azar en sus
partículas de manera que logran rigidez a la temperatura ambiente.
Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus
partículas, en amorfos y cristalinos.
Se puede decir que un sólido es un material que posee forma y volumen definidos
y que es una sustancia constituida por átomos metálicos, átomos no metálicos,
iones ó moléculas.
SOLIDOS CRISTALINOS Y REDES BRAVAIS
Los sólidos cristalinos están constituidos por minúsculos cristales individuales
cada uno con forma geométrica y poseen la característica de que al romperse
producen caras y planos definidos, al igual presentan puntos de fusión definidos.
Como ejemplos podemos destacar: el NaCl, la sacarosa, metales y aleaciones, y
también algunos cerámicos.
Los átomos o iones de un sólido se ordenan en una disposición que se repite en tres dimensiones,
forman un sólido del que se dice tiene una estructura cristalina, se dice también que es un sólido
cristalino o un material cristalino.
Punto reticular: ión, átomo o molécula
que se repite infinitamente
Líneas rectas imaginarias que forman la
Celdilla unidad
El patrón se repite en el espacio y
Forma el retículo cristalino
El tamaño y la forma de la celda unidad pueden describirse por tres vectores
reticulares a, b, c y por ángulos entre las caras y la longitud relativa de las aristas,
denominados parámetros de red, constantes de red o ejes cristalográficos.
a, b, c : longitud de las aristas correspondientes a los ejes coordenados X, Y,Z.
a , b , g : ángulos entre las aristas.
La importancia en la ingeniería de la estructura física de los materiales sólidos
depende primordialmente de la disposición de los átomos, iones o moléculas que
constituyen el sólido y de las fuerzas de enlace entre ellos.
Asignando valores específicos para las longitudes axiales y los ángulos
intereaxiales, se pueden construir diferentes tipos de celda unidad. Los
cristalógrafos han mostrado que son necesarias sólo siete tipos de diferentes de
celda unidad para crear todas las redes puntuales, estos sistemas cristalinos son:
el Cúbico, el Tetragonal, el Ortorrómbico, el Romboédrico, el Hexagonal, el
Monoclínico y el Triclínico. La mayor parte de los sistemas cristalinos presentan
variaciones de la celda unidad básica. A.J. Bravais mostró que 14 celdas unidad
estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles. Hay cuatro
tipos básicos de celdas unidad (1) Sencilla, (2) Centrada en el Cuerpo, (3)
Centrada en las Caras, y (4) Centrada en la Base.
En el Sistema Cúbico hay tres tipos de celda unidad: cúbica sencilla, cúbica
centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el Sistema
Ortorrómbico hay están representados los cuatro tipos. En el Sistema
Tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. La celda unidad
tetragonal centrada en las caras parece que falta, pero se puede formar a partir de
cuatro celdas unidades tetragonales centradas en el cuerpo. El Sistema
Monoclínico tiene celdas unidad sencilla y centrada en la base, y los Sistemas
Romboédrico, Hexagonal y Triclínico tienen sólo una celda unidad.
Red de Bravais Sistema
Red Triclínica primitiva, P Triclínico
Red monoclínica primitiva, PMonoclínico
Red monoclínica centrada en las caras, C
Red rómbica primitiva, P
RómbicoRed rómbica centrada en las bases, C
Red rómbica centrada en el interior, I
Red rómbica centrada en las caras, F
Red tetragonal primitiva, PTetragonal
Red tetragonal centrada en el interior, C
Red hexagonal primitiva, P Hexagonal
Red romboédrica primitiva, P Romboédrico o Trigonal
Red cúbica primitiva, P Cúbico o Isométrico
PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS
La mayoría de los metales elementales (90%) cristalizan en tres estructuras
cristalinas densamente empaquetadas: cúbica centrada en las caras FCC,
hexagonal compacta HCP y cúbica centrada en el cuerpo BCC debido a que se
libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez más
estrechamente entre sí. Por lo tanto dichas estructuras densamente
empaquetadas se encuentran en disposiciones u ordenamientos de energía cada
vez más baja y estable.
Estructura cúbica simple (CS). La celda unitaria es un cubo de arista ao con un
punto de red definido en cada uno de sus vértices.
Estructura cubica centrada en el cuerpo (BCC). La celda unitaria es un cubo de
arista ao. Tiene un punto de red definido en cada uno de sus vértices y un punto
definido en el centro del geométrico del cubo.
Estructura cúbica centrada en la cara (FCC). La celda unitaria es un cubo de
arista ao. Tiene un punto de red definido en cada uno de sus vértices y un punto
de red definido en el centro geométrico de cada una de sus caras.
Las celdas unitarias tienen propiedades:
Numero de átomos por celda
Cada celda unitaria tiene asociada un número promedio de puntos de red. En la
celda cúbica simple posee un átomo por celda unitaria, BCC tiene dos átomos por
celda y la estructura FCC tiene cuatro átomos por celda.
Relación entre el radio atómico y el parámetro de red
Existe una relación matemática entre el radio de los átomos que la componen y el
parámetro de red. Para los átomos que forman la estructura BCC, la relación que
existe es Ao = , donde r es el radio de los átomos que forman una celda
unitaria.
En la estructura FCC, la relación entre el parámetro de red y el radio atómico es:
Ao = , donde r es el radio del átomo.
Número de coordinación
Es el número de átomos que están en contacto con un átomo en particular del
material. El número de coordinación puede interpretarse como el número de
vecinos próximos que tiene cada átomo del material.
Factor de empaquetamiento
Es la fracción de volumen de la celda unitaria que es ocupada por átomos. El
factor de empaquetamiento da una idea de que tan bien apilados se encuentran
los átomos de un material, y se calcula de la siguiente manera:
FE =
Intersticios
Son los huecos que existen entre los átomos que forman la estructura cristalina y
se originan debido a que los átomos son esféricos. Los sitios intersticiales pueden
estar vacios o contener átomos más pequeños.
Estructura Hexagonal Compacta (HC)
En la estructura hexagonal compacta los átomos ocupan los vértices de un prisma
hexagonal regular, los centros de las bases y los centros de los triángulos alternos
en que puede descomponerse la sección intermedia del prisma. Las longitudes
axiales de esta estructura son la arista de la base, a, y la altura del prisma, c.
Átomos por celdilla
El número total de átomos por celdilla es de 6: (en el centro de las bases) +
1x3 (en la capa intermedia) + (en los vértices del prisma).
Número de Coordinación
El número de coordinación de la estructura HC es 12, como puede comprobarse
fácilmente haciendo recuento del número de vecinos del átomo del centro de una
base.
Direcciones de mayor concentración atómica
Los átomos están en contacto a lo largo de las aristas de las bases del prisma
(son direcciones de máxima compacidad), por lo que a = 2 r. Por otro lado, los tres
átomos intermedios junto con cada uno de los átomos del centro de las bases,
forman un tetraedro perfectamente regular. A partir de ello, puede obtenerse la
relación:
Fracción de Empaquetamiento
La fracción de empaquetamiento resulta ser del 74%. Es también, por tanto, una
estructura de máxima fracción de empaquetamiento.
Planos de mayor concentración atómica (compacidad)
Los planos de máxima compacidad son los paralelos a las bases del prisma
hexagonal.
Intersticios
Hay un total de 6 intersticios octaédricos y 12 intersticios tetraédricos por celdillas.
SISTEMAS DE DESLIZAMIENTO
Un sistema de deslizamiento es la combinación de un plano y una dirección que
se halla sobre el plano a lo largo del cual se produce el deslizamiento.
El Mecanismo de deslizamiento puede definirse como el movimiento paralelo de
dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún
plano (o planos).
El deslizamiento no se produce sobre un plano solamente, sino sobre pequeñas
regiones de planos paralelos llamados bandas de deslizamiento o líneas de
deslizamiento, dependiendo de sus espesores. Puesto que todas las líneas de
deslizamiento está en grupos paralelos dentro de cada monocristal (cada grano),
deben corresponder a una misma familia de planos (hkl)ocupados del grano
particular. A partir de mediciones sobre especímenes de monocristales de
orientaciones conocidas se puede determinar 1) los planos sobre los cuales se
produce el deslizamiento y 2) la dirección de deslizamiento dentro de estos planos.
Tales experimentos han revelado que en las estructuras FCC el deslizamiento
siempre se produce sobre los planos {111} pero solamente en las direcciones
<110>. Esto significa que si se produce el deslizamiento sobre el plano (111) será
en alguna de las tres direcciones ± [101], ±[110], ±[011].
Los cristales FCC poseen 12 sistemas de deslizamiento debido a que tienen
cuatro grupos {111} y con tres direcciones <110> en cada una.
En otras estructuras de cristales metálicos, los sistemas de deslizamiento tienen
más variabilidad. En los metales BCC las líneas de deslizamiento tienen una
apariencia ondulada. En estos cristales el deslizamiento se produce
predominantemente en los sistemas {110} <111> y la apariencia ondulada se debe
aparentemente a deslizamiento simultáneo sobre los otros dos sistemas de
planos {211} y {321} . En cristales HCP reales, la relación c/a no es igual al valor
ideal de 1.633 del modelo de esfera dura. Para los metales c/a > 1.633 hay alguna
preferencia para el deslizamiento sobre el plano basal, <1120>(0001), mientras
que para aquellos metales con c/a < 1.633 los sistemas de deslizamiento
preferidos son los otros dos.
Estructura Dirección de
Deslizamiento
Planos de
Deslizamiento
Ejemplos
FCC <110> {111} Cu, Al, Ni, Pb, Au, Ag, Fe
BCC <111> {110} Fe, W, Mo, Latón, Nb, Ta
BCC <111> {210} Fe, Mo, W, Na
BCC <111> {321} Fe, K
HCP <1120> (0001) Cd, Zn, Mg, Ti, Be, Co
HCP <1120> {1010} Ti, Mg, Zr, Be
HCP <1120> {1011} Ti, Mg
Tres observaciones generales son de gran importancia:
Las direcciones de deslizamiento siempre son en la dirección de
empaquetamiento compacto. Existen excepciones, por ejemplo, mercurio
sólido.
El deslizamiento ocurre usualmente sobre la mayoría de los planos
compactos. Esta observación esta relacionada con el hecho de que los
planos empaquetados más densamente también son el grupo de planos
(hkl) ocupados que tienen el espaciamiento más amplio.
El deslizamiento se produce primero sobre el sistema de deslizamiento que
tiene el mayor esfuerzo de corte a lo largo de su dirección de deslizamiento.
ESTRUCTURA DE LOS METALES
GRANOS Y FRONTERA DE GRANOS
Los metales comúnmente utilizados para la manufactura de varios productos
consisten en muchos cristales individuales orientados al azar (granos).
Cuando una masa de metal fundido empieza a solidificarse, comienzan a formarse
cristales de manera independientemente uno del otro, en varios sitios dentro de la
masa liquida tiene orientaciones aleatorias y no relacionadas. Cada uno de estos
cristales crece formando una estructura cristalina es decir un grano.
El número y tamaño de los granos depende de la nucleación (etapa inicial de
formación de los cristales). El número de sitios diferentes en el cual se empiezan a
formar los monocristales y la velocidad a la cual crecen estos cristales influencian
de forma importante el tamaño medio de los granos que se desarrollan.
Si la rapidez de nucleación del cristal
es elevada, será grande el número de
granos por unidad de volumen de
metal, en consecuencia el tamaño del
grano será pequeño. Y si la velocidad
de crecimiento de los cristales es
elevado, habrá menos granos por
unidad de volumen y su tamaño será más grande.
Un enfriamiento rápido produce granos más pequeños, pasa lo contrario con un
enfriamiento lento, que produce granos más grandes.
La forma de en que los granos en crecimiento finalmente interfieren entre si y se
estorban. Las superficies que separan estos granos individuales se conocen como
fronteras de grano.
TAMAÑO DE GRANO
El tamaño del grano influye de manera significativa en las propiedades mecánicas
de los metales. A temperatura ambiente, un tamaño de grano por lo general se
asocia con una baja resistencia, una baja dureza y una baja ductibilidad. Los
granos grandes, particularmente en los metales laminados, también causan una
apariencia superficial áspera una vez que el metal ha sido estirado.
INFLUENCIA DE LAS FRONTERAS DE GRANO
Las fronteras de grano tienen una influencia importante en la resistencia y
ductibilidad de los metales. Dado que interfieren con el movimiento de las
dislocaciones, las fronteras de grano también influencian el endurecimiento por
deformación. Estos efectos dependen de la temperatura, la rapidez de
deformación, y del tipo y cantidad de impurezas presentes a lo largo de las
fronteras de grano.
Las fronteras de los granos son más reactivas que los granos mismos, debido a
que los átomos a lo largo de las fronteras de grano están empacados menos
eficientemente y desordenados. Debido a esto tienen energía más elevada que los
granos mismos.
A temperaturas elevadas ocurre también la deformación plástica mediante el
deslizamiento de fronteras de grano.
Fragilización de las fronteras de granos. Cuando se pone en contacto atómico
intimo con ciertos metales de bajo punto de fusión, un metal normalmente dúctil y
resistente puede agrietarse bajo esfuerzo muy bajos.
Solidificación y aleación de los metales, diagrama HHC
Los metales al ser calentados pueden modificar su estado físico pasando por
varias etapas, las que van desde la alteración de algunas de sus propiedades
hasta en cambio de su estado sólido al líquido. El qué tan rápido o con qué tanta
energía se logra un cambio de estado en un metal dependerá de los materiales
que lo integran. Se debe recordar que casi nunca se utilizan metales puros. A la
combinación química de dos o más metales se le llama aleación y las propiedades
de las aleaciones dependen también de los metales que la integran.
Algunas de las aleaciones más utilizadas en los procesos de manufactura son:
Latón rojo o amarillo (cobre zinc)
Bronce (cobre, estaño, zinc, plomo)
Aluminio, cobre, magnesio, silicio y zinc
Hierro, carbón, cobalto, tungsteno, vanadio, etc.
Cobre, oro, plata
Existen tablas y normas internacionales que especifican la nomenclatura y los
componentes específicos de cada una de las diferentes aleaciones. Las
aleaciones antes señaladas son sólo algunas de las más, existen cientos más de
ellas.
Una de las herramientas que nos permiten conocer de manera sencilla y rápida
algunas de las características de las aleaciones son los diagramas de las
aleaciones. Uno de los diagramas de aleaciones más conocido y utilizado del
Hierro y el carbono. También conocido como diagrama hierro, hierro, carbono
(HHC). Con este diagrama se pueden obtener las temperaturas de cambio de sus
estructuras cristalinas; también se pueden conocer las temperaturas a las que se
da el cambio de fase de un hierro. En función a la cantidad de carbón que contiene
el metal se puede estimar la temperatura a la que se derretirá y a la que se volverá
pastoso.
En el eje horizontal del diagrama de Hierro, hierro, carbono se ubica el porcentaje
de carbono que puede estar diluido en el hierro y en el eje vertical se señalan las
temperaturas a las que van sucediendo los cambios señalados en el cuerpo de la
gráfica.
Al conocer la cantidad de carbono que tiene un hierro se pueden estimar la
temperatura a la que se debe elevar para que se den los diferentes cambios de
estructura o de estado. Por ejemplo si se tiene un hierro con 0.4% de carbón, se
deberá elevar su temperatura hasta los 723°C para que el hierro alfa y la perlita
empiecen a convertirse en austenita y ferrita. Aproximadamente a los 800°C ese
mismo hierro cambiará su estructura a hierro gamma, en donde su componente
principal es la austenita, a los 1480°C empieza a fundirse y arriba de los 1520°C
se ha fundido todo.
A los hierros que están debajo de 0.8% de carbón se les llama hipoeutectoides y a
aquellos que tienen más de 0.8% de carbón se llaman hipereutectoides. El punto
eutéctico es aquel en el que se logra la máxima dilusión de carbón posible en un
hierro a la menor temperatura. En caso de los hierros con carbón el punto
eutéctico se da con 0.8% de carbón y a 723°C.
Cada vez que se rebasa una zona en la gráfica de HHC, se está cambiando de
estructura en el hierro que se está tratando.
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Propiedad, es la respuesta provocada por un material cuando es expuesto a los
estímulos externos propios de sus condiciones de servicio. Por ejemplo, una
muestra de metal sometida a esfuerzos de tracción experimenta una deformación,
según su resistencia. Las propiedades de un material se expresan en términos del
tipo y magnitud de la respuesta a un estimulo especifico impuesto y son
mensurables.
Las definiciones de propiedades suelen ser independientemente de la forma y del
tamaño del material. Las propiedades de los materiales de uso en ingeniería se
evalúan mediante ensayos normalizados.
FACTORES QUE MODIFICAN LAS PROPIEDADES
Composición y estructura
o Porosidad
o Defectos
o Fases
o …
Tipo de solicitación
o Estática o dinámica
o Tracción o comprensión
Medio ambiente
o Temperatura
o Resistencia mecánica
o Fluencia – capacidad de deformación
o Modo de falla
PROPIEDADES MECÁNICAS
Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas incluyendo
fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o de fuerza a altas
temperaturas.
DUCTIBILIDAD
Propiedad de los metales y aleaciones que puedan ser aplastados y estirados
fácilmente sin que se rompan en otras palabras permiten el alargamiento
permanente mediante tracción y una deformación en frio que hasta cierto punto,
se opone ulteriormente a otras deformaciones accidentales de las piezas.
ELASTICIDAD
Propiedad que tienen los cuerpos deformados por una fuerza exterior de recobrar
su forma primitiva cuando cesa de obrar una fuerza aplicada sobre ellos. La
elasticidad es muy diferente de un cuerpo a otro. Para cada solido existe un limite
de elasticidad a partir del cual por ser excesiva la fuerza que le ha sido aplicada la
deformación persiste total o parcialmente. Es conocida como la relación entre la
magnitud de las fuerzas externas que provocan el alargamiento elástico de un
sólido y el valor que alcanza dicho alargamiento.
MALEABILIDAD
Se dice que un metal es maleable debido a que puede ser reducido a capas muy
delgadas golpeándolo con martillo o laminándolo dicho de otra forma que se puee
moldear con facilidad. La maleabilidad es, junto con la ductilidad una de las
características que determinan la aptitud de un metal a ser labrado. Es importante
en metalurgia saber a que temperatura puede laminarse, forjarse o estirarse un
metal para aprovechar la mejor maleabilidad.
PLASTICIDAD
Es lo opuesto a la elasticidad, de los cuerpos que al adquirir determinada forma
por efecto de una fuerza ejercida sobre ellos, la conservan indefinidamente
cuando esta deja de actuar.
TENACIDAD
Propiedad de los cuerpos que resisten a los esfuerzos de tracción deformándose y
estirándose antes de romperse. La tenacidad de un metal se determina
considerando los siguientes factores: limite de elasticidad, carga de ruptura,
alargamiento de estricción.
RESISTENCIA
Fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo. Se dice que la resistencia de
los materiales, parte de la mecánica que tiene por objeto determinar, entre otras
cosas, las dimensiones que ha de tener las distintas piezas de una construcción
para que pueda llenar su cometido y soportar los esfuerzos a que se han de hallar
sometidas sin romperse ni adquirir deformaciones permanentes perjudiciales.
FRAGILIDAD
Propiedad de los metales que se rompen por efecto de un choque sin
experimentar ninguna deformación previa. Nada tiene que ver con su resistencia,
dado que esta concierne su aptitud de romperse por efecto de un esfuerzo no de
un choque. Por lo general los tratamientos mecánicos disminuyen la fragilidad del
metal mientras que los tratamientos térmicos si bien lo endurecen también lo
vuelven mas quebradizo.
DUREZA
Calidad de los cuerpos duros de los materiales que no se rayan o dejan penetrar
con facilidad. Existen no pocos métodos para determinar la dureza de los cuerpos
la escala Mohs sirve para los minerales en metalurgia se ha generalizado en
método de brinell en el cual por medio de una prensa aplicada contra la probeta
una bola de acero durísima la cual penetra más o menos profundamente en la
pieza según sea la dureza de la misma y deja su superficie una oquedad de perfil
esférico.
PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES
DENSIDAD
La densidad de un material es la masa por unidad de volumen. Otra manera de
expresar la densidad de un material es la relación con la del agua, esta unidad se
conoce como gravedad especifica, y no tiene unidades.
El ahorro en peso es de particular importancia para estructuras de aeronaves y
naves espaciales, para carrocerías automotrices y sus componentes, ya para otros
productos donde la mayor preocupación es el consumo de energía y las
limitaciones de la misma. La sustitución del material en función del ahorro en peso
y en la economía es un factor importante en el diseño, tanto equipo y maquinaria
avanzada como en productos de consumo como automóviles.
La densidad juega un papel significativo en la resistencia específica (relación
resistencia a peso) y en la rigidez especifica (relación de rigidez a peso) de
materiales y estructuras.
Resistencia especifica (resistencia a la tensión / densidad)
PUNTO DE FUSION
El punto de fusión de un metal depende de la energía requerida para separar sus
átomos. La temperatura de fusión de una aleación puede tener una amplia gama,
a diferencia de un metal puro, que tiene un punto de fusión definido.
El punto de fusión de un metal tiene un número de efectos indirectos en
operaciones de manufactura. La elección de un material para aplicaciones de alta
temperatura es el efecto más obvio, en aplicaciones motores a chorro y hornos,
donde ocurre o se genera calor.
El punto de fusión tiene influencia importante en la selección del equipo y de la
práctica de fusión en las operaciones de fundición. Mientras más elevado sea el
punto de fusión del material, es más difícil esta operación.
CALOR ESPECÍFICO
El calor específico de un material es la energía requerida para elevar la
temperatura de una unidad de masa en un grado. Los elementos de aleación
tienen un efecto relativamente menor en el calor especifico de los materiales.
CONDUCTIVIDAD TERMICA
La conductividad térmica indica la tasa a la cual el calor fluye dentro y a través del
material. Los materiales con enlace metálico generalmente tienen una elevada
conductividad térmica, en tanto que los materiales con enlace iónico o covalente
(cerámicos y plásticos) tiene mala conductividad. Debido a la gran diferencia en
sus conductividades térmicas, los elementos de aleación pueden tener un efecto
significativo en la conductividad térmica de las aleaciones.
Cuando el calor ha sido generado por la deformación plástica o la fricción, este
debe ser conducido hacia fuera a una velocidad lo suficientemente elevada para
evitar una elevación severa de la temperatura.
DILATACION TERMICA
La dilatación térmica de los materiales pueden tener varios efectos significativos.
Por lo general el coeficiente de dilatación es inversamente proporcional al punto
de fusión de los materiales.
