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ESTRUCTURA DE LA
MATERIA -- SOLIDIFICACIÓN
E IMPERFECCIONES
MSc. Ing. Luis Fernando Vargas Tamayo
Ingeniería Industrial
Facultad de Ingeniería
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Universidad Distrital Francisco José de Caldas CIENCIA DE MATERIALES MSc. Ing. Luís Fernando Vargas Tamayo
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Universidad Distrital Francisco José de Caldas CIENCIA DE MATERIALES MSc. Ing. Luís Fernando Vargas Tamayo
SOLIDIFICACION DE METALES
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SOLIDIFICACION DE METALES
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SOLIDIFICACION DE METALES
Primer Paso
Se generan núcleos o
agrupación de átomos a partir
de pequeños movimientos,
reducción de la energía cinética
de las moléculas. Dependiendo
del origen de estos núcleos se
tienen dos tipos de nucleación.
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SOLIDIFICACION DE METALES
1. Nucleación homogénea: tiene lugar
cuando el metal proporciona por si mismo
los átomos para formar núcleos.
2. Nucleación heterogénea: Se produce en
un liquido sobre la superficie del
recipiente que lo contiene, estas paredes
contiene impurezas no solubles.
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SOLIDIFICACION DE METALES
Segundo Paso
Pueden suceder dos cosas:
1. Si el metal recibe suficiente calor
aún, los núcleos se disolverán
sucesivamente, se generan y se
disuelven mientras exista
suficiente energía en el liquido
presente.
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SOLIDIFICACION DE METALES
Segundo Paso
Pueden suceder dos cosas:
2. Si la temperatura bajó lo
suficiente, los núcleos formados
perdurarán, serán estables y
comenzarán a crecer para formar
cristales o granos.
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SOLIDIFICACION DE METALES
Tercer Paso
Las moléculas que forman el
liquido toman destino hacia algún
grano en formación, el liquido se
reduce paulatinamente y los granos
crecen hasta encontrarse en un
limite, a esto le llamamos frontera
de grano.
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SOLIDIFICACION DE METALES
Características del proceso
-Los átomos dentro de cada cristal o grano tienen una
disposición regular, sin embargo cada grano tiene una
orientación diferente.
-Estos cambios de orientación originan las fronteras de
grano, cuando terminan de crecer y se encuentran.
-Un metal que solidifica en estas condiciones se le llama
policristalino.
-Los cristales se llaman granos y los limites, fronteras
granulares.
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SOLIDIFICACION DE METALES
Características del proceso
-El numero de núcleos disponibles determina las
propiedades del material, si hay muchos núcleos el grano
es fino, pequeño y de tamaño homogéneo, si por el
contrario hay pocos, el material tendrá granos muy
grandes, pues se permitirá el crecimiento de estos antes
de encontrarse unos con otros.
- Entre el grano mas fino sea, las propiedades en general
serán mejores y mas homogéneas, por esto lo deseado
es generar muchos núcleos.
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SOLIDIFICACION DE METALES
Características del proceso
-En múltiples ocasiones cuando se desea un grano
fino, se utilizan refinadores de grano, que son
impurezas no solubles, se le adicionan al liquido y
estos elementos generarán puntos de nucleación
pues bajan drásticamente la energía cinética de su
entorno.
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SOLIDIFICACION DE METALES
Dependiendo de la tecnología utilizada, la solidificación
puede darse en:
-Colada continua: proceso en el que se trabaja
continuamente, el metal liquido se solidifica en una
maquina de colada permanente y se obtiene material por
metros o por toneladas.
-Colada discreta: en este proceso se permite la
solidificación en un molde estacionario, se realiza un
colado y se espera el tiempo necesario para la obtener
un lingote.
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COLADA DISCRETA
Tecnología antigua, de bajos
niveles de producción, los
materiales no son los mas
homogéneos, las
propiedades obtenidas se
pueden mejorar, el material
frecuentemente es costoso
frente a otros procesos.
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COLADA DISCRETA
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COLADA DISCRETA
Los granos formados generalmente
siguen esta estructura:
Granos equiaxiales: se generan en la superficie del
material que esta en contacto con el recipiente, crisol o
molde, esto se debe al rápido enfriamiento, tienen una
forma mas o menos esférica.
Granos columnares: son delgados, largos y
perpendiculares a las paredes del recipiente, esto se debe
a la baja velocidad de enfriamiento.
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COLADA CONTINUA
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Solidificación de metales
Los metales se utilizan en la industria casi en su
totalidad en forma policristalina, esto por que se
presentan mejores propiedades mecánicas y mas
ductilidad para el trabajo de deformación.
En algunos casos particulares se pueden tener
materiales monocristalinos, es frecuente encontrarlos en
la industria microelectrónica, específicamente en los
materiales semiconductores es vital no tener fronteras
de grano pues esto estropearía la conductividad del
elemento.
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Solidificación de
metales
Aleaciones
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Solidificación de metales
En la industria en general no se utilizan los metales
puros, estos tienen un alto costo y sus propiedades no
son las mejores.
Cobre Conducción eléctrica 99.99% máxima pureza
Aluminio Decoración arquitectónica 99.9%
La mayoría de metales usados en la industria se
combinan con otros metales y no metales para obtener
mejores propiedades.
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Solidificación de metales
Aleación mezcla de un metal y un no metal o de varios
metales. El tipo mas sencillo es la llamada solución
sólida. Esto es un sólido que consta de dos o mas
elementos dispersos atómicamente en una estructura de
fase única.
2 elementos Cu – Zn Latón
Cu – Sn Bronce
Múltiples componentes
Inconel 12 elementos aleados
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Solidificación de metales
Son de dos tipos, la sustitucional y la intersticial
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Solidificación de metales
Solución sólida sustitucional
Conformada por 2 elementos, uno de
los cuales sustituye al otro en
algunas posiciones atómicas.
Solvente matriz
Soluto el que sustituye
La estructura cristalina del elemento
progenitor (solvente) permanece
inalterada, pero las posiciones
cristalinas se pueden distorsionar.
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Reglas de solubilidad de Humme-Rothery
Para que los dos elementos se disuelvan completamente entre si,
normalmente satisfacen una o más de las siguientes condiciones
formuladas por Hume-Rothery y conocidas como reglas de
solubilidad de sólidos de Hume-Rothery:
1. Las estructuras cristalinas de cada elemento deben ser iguales.
2. El tamaño de cada uno de los dos elementos no deben diferir en
más del 15 por 100.
3. Los elementos no deben formar compuestos entre si. No debe
haber diferencias apreciables en las electronegatividades de los
dos elementos.
4. Los elementos deben tener la misma valencia.
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Reglas de solubilidad de
Humme-Rothery
ELEMEN
TORa ESTR.
ELECTRONE
GATIVIDADVALENCIA
Cobre 0,128 FCC 1,8 +1
Cinc 0,133 HCP 1,7 +2
Plomo 0,175 FCC 1,6 +4
Níquel 0,125 FCC 1,8 +2
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Reglas de solubilidad de
Humme-Rothery
SISTEMADif Ra
%
Dif
Electrone
gatividad
Grado de
solubilidad
Máxima
solubilidad
observada
Cu – Zn +3,9 0,1 Alta 38,3
Cu – Pb +36,9 0,2 Muy baja 0,1
Cu - Ni -2,3 0 Muy alta 100
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Solidificación de metalesSolución sólida intersticial
Los átomos de soluto encajan
en los espacios que hay entre
los átomos del solvente o
elemento progenitor, estos
huecos, se llaman intersticios,
se forman debido a grandes
diferencias entre radios
atómicos.
Típicamente incluyen los
elementos pequeños:
H, N, C, O, etc.
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Universidad Distrital Francisco José de Caldas CIENCIA DE MATERIALES MSc. Ing. Luís Fernando Vargas Tamayo
Solidificación de metalesSolución sólida intersticial
Fe
Fe
Fe
Fe C
Acero:
Hierro r = 0,129 nm
Carbono r = 0,075 nm
Ej. Hallar el radio del mayor hueco
intersticial en la red FCC del hierro
gamma.
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IMPERFECCIONES
CRISTALINAS
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
No existen los cristales perfectos, en cualquier material
sin importar como haya solidificado estarán presentes
algunos defectos, estos se clasifican por su geometría
1° defectos de dimensión cero puntuales
2° defectos de dimensión uno lineales
3° defectos de dimensión dos planares
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DEFECTOS
PUNTUALES
Cristales no iónicos
Cristales iónicos
Autointersticiales
Vacantes
Por impurezas
Sustitucional
Intersticial
Defecto de Frenkel
Defecto de Schottky
DEFECTOS
DE LINEAde borde
de tornillo
mixtas
DEFECTOS
PLANARES
Borde de grano
Frontera gemela
Mapa de los defectos
cristalinos, clasificados
por la dimensión
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Se causa cuando un átomo esta ausente de su posición
normal.
Generalmente se producen durante la solidificación,
debido al reordenamiento atómico existente en el cristal.
Vacancia
Vacancia,
átomo faltante
Cristales no iónicos
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Ocurre cuando en un cristal, un átomo de un elemento
extraño ocupa un lugar intersticial entre átomos ubicados
en sitios normales, se produce generalmente de manera
intencional para lograr alear materiales.
Por impurezas
Intersticial: Átomo de
elemento extraño
Puede ser sustitucional o
intersticial
Cristales no iónicos
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Ocurre cuando en un cristal, un átomo propio ocupa un
lugar intersticial entre átomos ubicados en sitios
normales, se produce generalmente por irradiación del
material.
Intersticial o autointersticial
Autointersticial: átomo
del mismo elemento
Cristales no iónicos
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DEFECTOS
PUNTUALES
Cristales no iónicos
Cristales iónicos
Autointersticiales
Vacantes
Por impurezas
Sustitucional
Intersticial
Defecto de Frenkel
Defecto de Schottky
DEFECTOS
DE LINEAde borde
de tornillo
mixtas
DEFECTOS
PLANARES
Borde de grano
Frontera gemela
Mapa de los defectos
cristalinos, clasificados
por la dimensión
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Los defectos puntuales en los cristales
iónicos son mas complejos que en los
cristales neutros, además de los atrás
mencionados, que se relacionan con la
forma y geometría de la red cristalina, en
este caso se debe mantener la neutralidad
eléctrica de los mismos.
DEFECTOS EN CRISTALES IÓNICOS
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Se presenta cuando iones de carga opuesta se pierden en
un cristal iónico, es decir se mantiene la neutralidad
general pues la perdida incluye partícula negativa y
partícula positiva, localmente se produce un desbalance
eléctrico
Defecto Schottky
Schottky: se pierden
partículas por parejas,
una positiva y una
negativa.
Cristales iónicos
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Ocurre cuando un catión se mueve hacia una posición
intersticial en un cristal iónico, por lo mismo se crea una
vacante de catión, así como en el anterior se produce
localmente un desbalance eléctrico.
Defecto Frenkel
Frenkel: movimiento
de partículas.
Cristales iónicos
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DEFECTOS
PUNTUALES
Cristales no iónicos
Cristales iónicos
Autointersticiales
Vacantes
Por impurezas
Sustitucional
Intersticial
Defecto de Frenkel
Defecto de Schottky
DEFECTOS
DE LINEAde borde
de tornillo
mixtas
DEFECTOS
PLANARES
Borde de grano
Frontera gemela
Mapa de los defectos
cristalinos, clasificados
por la dimensión
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Son defectos que dan lugar a una
distorsión de la red centrada alrededor de
una línea.
Se crean durante la solidificación el sólido
cristalino o por deformación plástica o
permanente del cristal
DEFECTOS DE LÍNEA -- DISLOCACIONES
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Se genera en un cristal por la inserción de un semiplano
adicional de átomos.
La “T” invertida indica una dislocación positiva, lo
contrario, es decir una “T” indicaría una dislocación
negativa.
Esta dislocación genera una
zona de tensión y otra de
compresión.
Dislocación de borde
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Dislocación de borde
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Se forma por la aplicación de esfuerzos
cortantes.
Estos esfuerzos introducen una zona de
distorsión de la red cristalina en forma de
rampa espiral.
Dislocación de tornillo
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Dislocación de tornillo
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Dislocación de tornillo
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
En un mismo cristal se pueden presentar
varias dislocaciones simultáneamente, se
pueden reunir de borde y de tornillo.
Dislocación mixta
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Dislocación mixta
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DEFORMACIÓN MECANICA
La deformación plástica es difícil sin dislocaciones, la
figura muestra el efecto de la dislocación en la
deformación del metal.
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DEFORMACIÓN MECANICA
Si las distancias entre átomos fueran grandes, seria mas
dificil el movimiento del semi-plano de átomos o
dislocación, es decir se facilita en planos de alta
densidad.
BCC FCC
Cuales serian los planos mas densos en las
celdas FCC y BCC?
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DEFECTOS
PUNTUALES
Cristales no iónicos
Cristales iónicos
Autointersticiales
Vacantes
Por impurezas
Sustitucional
Intersticial
Defecto de Frenkel
Defecto de Schottky
DEFECTOS
DE LINEAde borde
de tornillo
mixtas
DEFECTOS
PLANARES
Borde de grano
Frontera gemela
Mapa de los defectos
cristalinos, clasificados
por la dimensión
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Existen muchas clases de defectos del
cristal orientados en el plano, se tratarán
los siguientes:
- Frontera de grano
- Frontera gemela
DEFECTOS DE DOS DIMENSIONES
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Los bordes de grano son imperfecciones en la superficie
de los materiales policristalinos, aunque dentro de los
granos se tiene una estructura homogéneamente
orientada, entre grano y grano se encuentra una
superficie en la que dicha orientación se rompe.
Frontera de grano
El encuentro entre grano y grano
marca un cambio de orientación,
esto es una discontinuidad de la
red y por lo mismo un defecto
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Frontera de grano
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IMPERFECCIONES CRISTALINAS
Se sucede cuando una estructura se encuentra
separada de otra por una frontera que la hace un
espejo de la misma.
Su origen esta demarcado por la deformación en
frío.
Frontera gemela
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Frontera gemela
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DEFECTOS
PUNTUALES
Cristales no iónicos
Cristales iónicos
Autointersticiales
Vacantes
Por impurezas
Sustitucional
Intersticial
Defecto de Frenkel
Defecto de Schottky
DEFECTOS
DE LINEAde borde
de tornillo
mixtas
DEFECTOS
PLANARES
Borde de grano
Frontera gemela
Mapa de los defectos
cristalinos, clasificados
por la dimensión
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a. Impureza
intersticial
b. Dislocación de
borde
c. Autointersticial
d. Vacancia
e. Impureza
sustitucional
Ejercicio
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TAMAÑO DE GRANO
El tamaño del grano es un factor importante en las
propiedades de los metales, especialmente en la
resistencia mecánica.
Una forma de medirlo es el método ASTM, determina el
tamaño de grano con un conteo en una foto micrografía
especifica, asigna un valor que aunque no es una medida,
si es un indicador de tamaño.
N = 2n-1
Donde:
N: numero de granos por pulgada cuadrada
contados en un foto micrografía en la que se
utilizó un aumento de 100X.
n: índice de tamaño de grano según la ASTM,
puede tomar valores de 1 a 10
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TAMAÑO DE GRANO
1 2 3
4 5 6
7 8
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TAMAÑO DE GRANO
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15 16
18
19
Fotomicrografía a
100X, el área
mostrada es de 1/4
de pulgada cuadrada
7
12log
76log
2log1log
2 1
n
n
nN
N n