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Estructura interna de los metales.

Septiembre de 2010 Departamento de Tecnología del IES EUROPA

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Introducción:● Los metales son los materiales estructurales más usados.

● Es necesario conocer sus propiedades y como ajustarlas para que sirvan para resolver nuestras necesidades.

La metalurgia estudia la estructura interna de los metales, la forma de modificarla y la relación que tiene con las propiedades de los metales.

Propiedades de los metales:

●

● Alta conductividad térmica y eléctrica.

Considerable resistencia mecánica.

Gran plasticidad, ductilidad y

tenacidad. Elevada maleabilidad

Son reciclables: se pueden fundir y conformar de nuevo.

●

1.- Enlace metálico

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● Involucran fuerzas interatómicas generadas por la compartición de electrones deslocalizados par formar un enlace fuerte no direccional entre los átomos.

● Los metales en estado sólido forman una estructura cristalina en la que los átomos se empaquetan tan cerca unos de otros que los electrones más externos de cada átomo son atraídos por los núcleos de los átomos adyacentes formándose así una nube electrónica de carga negativa de baja intensidad.

● Imagen mental: núcleos de iones positivos dispuestos en una red cristalina y electrones de valencia dispersos en una nube que cubre una gran cantidad de espacio.

– Los electrones de valencia están débilmente unidos a los núcleos de los átomos y pueden moverse con relativa facilidad.

● Alta conductividad térmica y eléctrica.Energía de enlace y temperatura de fusión varían mucho:●

––

Hg → -39º C W → 3410º C

2.- Estado cristalino.-

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● Definición: los átomos o iones de un sólido se encuentran ordenados en una disposición que se repite en las tres dimensiones: una secuencia básica se repite a lo largo de todo el sólido.

– Sólidos cristalinos:● Metales y aleaciones

metálicas. Algunos materiales cerámicos. Algunos polímeros.

●

● Las propiedades mecánicas de los metales se explican por la naturaleza cristalina de la disposición geométrica que adoptan los átomos que los conforman.

● Estado amorfo: los átomos de los elementos constituyentes del sólido no se encuentran dispuestos de forma ordenada, sino que se unen entre si de forma aleatoria.

● La mayor parte de los polímeros. Muchos materiales cerámicos.

●

● Nota: a lo largo del tema los átomos o iones se considerarán esferas rígidas.

→a

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2.1.- Tipos de estructuras cristalinas.-● Cada estructura cristalina tiene asociada una red espacial: conjunto regular y periódico de

puntos reticulares.

– En cada punto de la red se sitúan conjuntos de átomos iguales tanto en composición atómica como en orientación.

Este grupo de átomos que a modo de molécula se sitúa en cada punto reticular se denominabase.

–

● Una estructura cristalina está constituida por la suma de la red espacial y la base.

● El número de redes espaciales posibles no es infinito ya que deben llenar el espacio completamente: sin dejar huecos.

– Se puede demostrar que existen 7 sistemas cristalinos independientes que dan lugar a 14 redes:redes de Bravais.Celda unitaria: cada sistema cristalino queda definido por los parámetros de su celda unitaria.

–

Estructura Ejes Ángulos

αβ

γ

ab

c

→b

→

cCúbica a=b=c α=β=γ=90º

Tetragonal a=b≠c α=β=γ=90º

Ortorrómbica a≠b≠c α=β=γ=90º

Exagonal a=b≠c α=β=90º, γ=120º

Romboédrica a=b=c α=β=γ≠90º

Monoclínica a≠b≠c α=γ=90º, β≠90º

Triclínica a≠b≠c α≠β≠γ≠90º

Redes de Bravais.-

Cúbico Cúbica centrada en el cuerpo

Cúbica centrada en las caras.

Tetragonalsimple

Tetragonal centrada en el cuerpo

Ortorrómbica Ortorrómbica centrada en las bases

Ortorrómbica centrada en el cuerpo

Ortorrómbica centrada en las caras

Hexagonal

Romboédrica

Monoclínica Monoclínica centrada en las bases

Triclínica

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2.2- Estructuras cristalinas en los metales.-

● El 90% de los metales cristaliza en alguna de las siguientes redes:

● Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

Cúbica centrada en las caras (FCC)

Hexagonal compacta (HCP)

●

BCC

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FCC HCP

En el estudio de los diferentes sistemas cristalinos consideraremos lo átomos o iones como esferas rígidas.

a) Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo BCC.-

● Los átomos se sitúan en los vértices y el centro del cubo (celda unidad).

● Índice de coordinación: 8 . Cada átomo está rodeado por otros 8 más cercanos

● Nº de átomos correspondientes a cada celda unidad:

● N ≡ nº de átomos en el interior.

i

● N ≡ nº de átomos en las caras.

c

● N ≡ nº de átomos en los vértices.v

● Constante reticular: relación entre la longitud, a,de la arista de la celda unidad y el radio, R,de los átomos que forman la red cristalina.

● Factor de empaquetamiento atómico (FEA):Relación entre el volumen ocupado por los átomos de la celda unidad y el volumen total de la celda unidad

N = N i 2 8N c N v

FEABCC = Volumen del cubo =

2⋅ 4 ⋅ R3

Volumen atómico ⋅3 a3 =0,6

8

El 68% del volumen de la celda unidad está ocupado por átomos. El resto es espacio libre.

Constante reticular

En BCC N=2

a = 4

⋅ R 3

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b) Estructura Cúbica Centrada en las Caras FCC.-

● Índice de coordinación: 12

●Número de átomos por cada celda unidad: N = N i 2 8Constante reticular:

●

● Factor de empaquetamiento:

N c N v

En FCC N=4

a = 4

⋅ R 2

FEA FCC = Volumen del cubo =Volumen atómico

4⋅ 4 ⋅ R3

⋅3

a3= 0,74

El 74% del volumen de la celda unidad está ocupado por átomos. El resto es espacio libre.

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Índice de coordinación de FCC

Plano horizontal perpendicular al papel

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Plano vertical perpendicular al papel

Conjunto

c) Estructura Hexagonal Compacta HCP.-

● Índice de coordinación: 12

● Número de átomos por celda: 6

● Constante reticular:

● Factor de empaquetamiento atómico FEA:

N = N i 2 6N c N v

a = 2⋅ R

FEAHCP = Volumen del prisma exagonal = 24⋅ R3⋅ 2

= 0,74

Volumen atómico

8⋅⋅ R3

La celda tiene un 74% del espacio ocupado por átomos

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2.3.- Intersticios cristalinos.-

● Intersticios: huecos en el interior de los sólidos cristalinos

● Pueden ser de dos tipos:

● Octaédricos: si están rodados de 6 átomos.

Tetraédricos: si están rodeados de 4 átomos.

●

En estos huecos podrán situarse átomos de los elementos que formen aleaciones con los metales. Es importante conocer su tamaño que se calcula teniendo en cuenta la esfera de mayor tamaño que se puede insertar en él:

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R i= 0,414⋅R

Nos indica que el tamaño del radio, R , del átomo que podría insertarse en el hueco sin

i

deformarlo es 0,414 veces el tamaño del radio, R, del átomo del metal

Tabla resumen de los tres sistemas cristalinos estudiados.-

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Estructuras cristalinasRed BCC FCC HCP

Relacióna=4⋅R / 3 a =4⋅R / 2 a =2⋅R

Índice de coordinación 8 12 12

Átomos por celda 2 4 6

FEA 0,68 0,74 0,74

Huecos Octaédricos R /R = 0,155i

R /R = 0,414i

R /R=0,414

Tetraédricos R /R = 0,291i

R /R = 0,225i

R /R=0,225

2.4.- Alotropía y polimorfismo.-

● Alotropía:● Fenómeno característico de algunos

elementos químicos que pueden presentar diferentes estructuras cristalinas en función de la presión y de la temperatura.

● El hierro, el titanio y el cobalto presentan variaciones alotrópicas a elevadas temperaturas a presión atmosférica.

● Polimorfismo:

● En el caso de que se trate de compuestos químicos el fenómeno se conoce como polimorfismo.

1539 ºCHierro δBCC

a=0,293 nm1394 ºC

Hierro γ FCCa=0,365 nm

912ºC

Hierro α BCCa=0,29 nm

-273 ºC

E stados alotrópicos del hier ro.

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3.- Defectos en la estructura

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cristalina.- Son fundamentales para entender el comportamiento físico y mecánico de los materiales metálicos.

● Defectos térmicos: los átomos no están fijos en la posición que les corresponde según la estructura cristalina, sino que vibran en torno a esos puntos que son su posición de equilibrio.

● Defectos electrónicos: como los que se producen en los cristales de silicio cuando añadimos impurezas – como el arsénico o el fósforo (pentavalentes) o el aluminio o el boro (trivalentes) – para convertirlo en un material conductor.

● Defectos atómicos: fallos o alteraciones de la ordenación espacial de la estructura cristalina.

– Son los más importantes desde el punto de vista metalúrgico.

Pueden ser:–● Puntuales.

Lineales. Superficiales.

●

3.1.- Defectos atómicos puntuales.-

Vacante: puntos de la red vacíos en los que no se encuentra átomo alguno. Este defecto se debe a la excitación térmica y su presencia crece con la temperatura

Átomos intersticiales por inserción: átomos extraños situados en un punto que no pertenece a la red. Caso del carbono en los aceros.

Átomos intersticial por sustitución: átomos diferente de los que forman la red cristalina que se sitúan en puntos reticulares.

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Difusión:

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● Definición: desplazamiento de los átomos de un sólido cristalino a través de la red cristalina causado por la agitación térmica.

– Se produce por la diferencia de concentraciones en el interior de un

sólido. El aumento de temperatura favorece la difusión.

El aumento de lugares vacantes favorece la difusión.

Los átomos intersticiales también se difunden a través de la estructura cristalina:

–

–● Mejor si son de pequeño tamaño en relación con los huecos: así el carbono en

el hierro.El movimiento de átomos a través de la estructura cristalina regula un gran número de procesos metalúrgicos:

●

– Tratamientos térmicos.

Tratamientos

superficiales.

–

3.2.- Defectos atómicos lineales: dislocaciones.-

● Se extienden a lo largo de lineas, por lo que involucran a un mayor número de átomos que los defectos lineales.

● a) Dislocación en cuñaSemiplano extra de átomos

Linea de dislocación

cizalla

Favorece la maquinabilidad:● Para deformar el material con un esfuerzo de cicalla será necesario que la

dislocación se vaya desplazando; esto supone que el movimiento se produce a pequeños saltos en los que se rompen y recomponen los enlaces atómicos cercanos a la linea de dislocación.Si no existiera la dislocación todos los enlaces atómicos del plano de deslizamiento deberían romperse al mismo tiempo, lo que supone un esfuerzo mayor.

●

Esfuerzo de cizalla

cizalla

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Defectos atómicos lineales: dislocaciones.-

● Dislocación helicoidal:● Producido por un esfuerzo de cizalla a

lo largo de un plano del cristal.

● Se puede entender que tomamos un cilindro del cristal original al que realizamos un corte longitudinal y que luego volvemos a unir, de forma que, los puntos AA' coincidentes antes del corte, en la nueva unión presentan un desplazamiento d equivalente a la distancia interatómica.

● La densidad de las dislocaciones es un parámetro muy importante en el comportamiento mecánico de un material: para que se produzca la deformación será necesario que exista un gran número de dislocaciones

LA

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A'

A

A'd

L

3.6.- Defectos de superficie.-

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● Superficie externa:● Los átomos de la superficie no están rodeados por el mismo número de átomos que los del interior

y por lo tanto poseen un estado de energía superior. Esto hace que los átomos del exterior se ordenen de forma diferente (reconstrucción).

● Fronteras de grano:● Los sólidos cristalinos suelen presentarse como un conjunto de pequeños monocristales

denominadosgranos.

● Los granos se unen entre sí por las fronteras de grano:– Regiones a lo largo de las cuales se acoplan cristales de orientación diferente.

Existe una energía de frontera de grano que aumenta con el grado de desorientación de los granos adyacentes.

–

● Zonas más activas químicamente. Sumideros de impurezas.Zonas que solidifican más tarde → zonas con menor punto de fusión.

●

– Todas estas circunstancias afectan a la resistencia mecánica del material.● Las fronteras de grano suponen un obstáculo para las dislocaciones: el afino del grano es un

proceso que confiere resistencia a la deformación en frío a los metales.

● Las fronteras de grano son caminos preferenciales para los procesos de difusión.

Defectos de superficie (2)

● Maclas:

Una región del cristal sufre una cizalla homogénea a lo largo del un plano (plano de macla) dando lugar a una estructura especular a un lado y otro del plano de macla.

●

● Defectos de apilamiento:Un factor que puede considerarse es la forma en que se ordenan los átomos por capas en cada sistema cristalográfico:

●

● ABA en HCP

● ABC en BCC

● Cuando se infringe la secuencia de apilamiento se produce el defecto de apilamiento.

● Por ejemplo:

● En estructura BCC suprimiendo un plano B dando lugar a la estructura ABCACAB

● En HCP el defecto equivale a incluir una zona con estructura CCC → ABABCBCB

Plano de macla

A

BA