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Estructura interna de los metales.Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA1Introduccin:Los metales son los materiales estructurales ms 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 relacin que tiene con las propiedades de los metales.

Propiedades de los metales:Alta conductividad trmica y elctrica. Considerable resistencia mecnica. Gran plasticidad, ductilidad y tenacidad. Elevada maleabilidad

Son reciclables: se pueden fundir y conformar de nuevo.

1.- Enlace metlicoSeptiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA1Involucran fuerzas interatmicas generadas por la comparticin de electrones deslocalizados par formar un enlace fuerte no direccional entre los tomos.Los metales en estado slido forman una estructura cristalina en la que los tomos se empaquetan tan cerca unos de otros que los electrones ms externos de cada tomo son atrados por los ncleos de los tomos adyacentes formndose as una nube electrnica de carga negativa de baja intensidad.Imagen mental: ncleos 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 estn dbilmente unidos a los ncleos de los tomos y pueden moverse con relativa facilidad.Alta conductividad trmica y elctrica.Energa de enlace y temperatura de fusin varan mucho:

Hg -39 C W 3410 C

2.- Estado cristalino.-Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA1Definicin: los tomos o iones de un slido se encuentran ordenados en una disposicin que se repite en las tres dimensiones: una secuencia bsica se repite a lo largo de todo el slido.Slidos cristalinos:Metales y aleaciones metlicas. Algunos materiales cermicos. Algunos polmeros.Las propiedades mecnicas de los metales se explican por la naturaleza cristalina de la disposicin geomtrica que adoptan los tomos que los conforman.Estado amorfo: los tomos de los elementos constituyentes del slido no se encuentran dispuestos de forma ordenada, sino que se unen entre si de forma aleatoria.La mayor parte de los polmeros. Muchos materiales cermicos.Nota: a lo largo del tema los tomos o iones se considerarn esferas rgidas.

a

42.1.- Tipos de estructuras cristalinas.-Cada estructura cristalina tiene asociada una red espacial: conjunto regular y peridico de puntos reticulares.En cada punto de la red se sitan conjuntos de tomos iguales tanto en composicin atmica como en orientacin.

Este grupo de tomos que a modo de molcula se sita en cada punto reticular se denominabase.Una estructura cristalina est constituida por la suma de la red espacial y la base.El nmero 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 parmetros de su celda unitaria.

Estructura

Ejes

ngulos

abcbc

Cbicaa=b=c===90Tetragonala=bc===90Ortorrmbicaabc===90Exagonala=bc==90, =120Rombodricaa=b=c==90Monoclnicaabc==90, 90Triclnicaabc90

Redes de Bravais.-

CbicoCbica centrada en el cuerpoCbica centrada en las caras.

TetragonalsimpleTetragonal centrada en el cuerpo

OrtorrmbicaOrtorrmbica centrada en las basesOrtorrmbica centrada en el cuerpoOrtorrmbica centrada en las caras

Hexagonal

Rombodrica

MonoclnicaMonoclnica centrada en las bases

TriclnicaSeptiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA5

2.2- Estructuras cristalinas en los metales.- El 90% de los metales cristaliza en alguna de las siguientes redes:Cbica centrada en el cuerpo (BCC) Cbica centrada en las caras (FCC) Hexagonal compacta (HCP)

BCCSeptiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA5FCCHCPEn el estudio de los diferentes sistemas cristalinos consideraremos lo tomos o iones como esferas rgidas.

a) EstructuraCbica Centrada en el Cuerpo BCC.-Los tomos se sitan en los vrtices y el centro del cubo (celda unidad).ndice de coordinacin: 8 . Cada tomo est rodeado por otros 8 ms cercanosN de tomos correspondientes a cada celda unidad:N n de tomos en el interior.iN n de tomos en las caras.cN n de tomos en los vrtices.vConstante reticular: relacin entre la longitud, a,de la arista de la celda unidad y el radio, R,de los tomos que forman la red cristalina.

Factor de empaquetamiento atmico (FEA):

Relacin entre el volumen ocupado por los tomos de la celda unidad y el volumen total de la celda unidadN = N i 2 8N cN v

FEABCC = Volumen del cubo =

24 R3Volumen atmico 3 a3=0,68El 68% del volumen de la celda unidad est ocupado por tomos. El resto es espacio libre.Constante reticularEn BCC N=2

a = 4 R 3

Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA5

b) Estructura Cbica Centrada en las Caras FCC.-ndice de coordinacin: 12

Nmero de tomos por cada celda unidad: N = N i 2 8

Constante reticular:Factor de empaquetamiento:N cN v

En FCC N=4

a = 4 R 2

FEAFCC = Volumen del cubo =Volumen atmico

44 R33

a3=0,74El 74% del volumen de la celda unidad est ocupado por tomos. El resto es espacio libre.

Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA5

ndice de coordinacin de FCC

Plano horizontal perpendicular al papelSeptiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA5Plano vertical perpendicular al papelConjunto

c) Estructura Hexagonal Compacta HCP.-ndice de coordinacin: 12Nmero de tomos por celda: 6Constante reticular:Factor de empaquetamiento atmico FEA:

N = N i 2 6N cN va =2R

FEAHCP = Volumen del prisma exagonal = 24R3 2 =0,74Volumen atmico8R3La celda tiene un 74% del espacio ocupado por tomos

Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA10

2.3.- Intersticios cristalinos.-Intersticios: huecos en el interior de los slidos cristalinosPueden ser de dos tipos:Octadricos: si estn rodados de 6 tomos.

Tetradricos: si estn rodeados de 4 tomos.

En estos huecos podrn situarse tomos de los elementos que formen aleaciones con los metales. Es importante conocer su tamao que se calcula teniendo en cuenta la esfera de mayor tamao que se puede insertar en l:Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA10Ri=0,414RNos indica que el tamao del radio, R , del tomo que podra insertarse en el hueco sinideformarlo es 0,414 veces el tamao del radio, R, del tomo del metal

Tabla resumen de los tres sistemas cristalinos estudiados.-

Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA10Estructuras cristalinasRedBCCFCCHCPRelacina=4R / 3a =4R / 2a =2Rndice de coordinacin81212tomos por celda246FEA0,680,740,74HuecosOctadricosR /R = 0,155iR /R = 0,414iR /R=0,414TetradricosR /R = 0,291iR /R = 0,225iR /R=0,225

2.4.- Alotropa y polimorfismo.-Alotropa:Fenmeno caracterstico de algunos elementos qumicos que pueden presentar diferentes estructuras cristalinas en funcin de la presin y de la temperatura.El hierro, el titanio y el cobalto presentan variaciones alotrpicas a elevadas temperaturas a presin atmosfrica.Polimorfismo:En el caso de que se trate de compuestos qumicos el fenmeno se conoce como polimorfismo.

1539 CHierro BCCa=0,293 nm1394 CHierro FCCa=0,365 nm

912C

Hierro BCCa=0,29 nm

-273 C

Estados alotrpicos del hierro.Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA10

3.-Defectos en la estructuraSeptiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA10 cristalina.- Son fundamentales para entender el comportamiento fsico y mecnico de los materiales metlicos.Defectos trmicos: los tomos no estn fijos en la posicin que les corresponde segn la estructura cristalina, sino que vibran en torno a esos puntos que son su posicin de equilibrio.Defectos electrnicos: como los que se producen en los cristales de silicio cuando aadimos impurezas como el arsnico o el fsforo (pentavalentes) o el aluminio o el boro (trivalentes) para convertirlo en un material conductor.Defectos atmicos: fallos o alteraciones de la ordenacin espacial de la estructura cristalina.Son los ms importantes desde el punto de vista metalrgico. Pueden ser:Puntuales. Lineales. Superficiales.

3.1.- Defectos atmicos puntuales.-

Vacante: puntos de la red vacos en los que no se encuentra tomo alguno. Este defecto se debe a la excitacin trmica y su presencia crece con la temperatura

tomos intersticiales por insercin: tomos extraos situados en un punto que no pertenece a la red. Caso del carbono en los aceros.

tomos intersticial por sustitucin: tomos diferente de los que forman la red cristalina que se sitan en puntos reticulares.Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA10

Difusin:Septiembre de 2010Departamento de Tecnologa del IES EUROPA10Definicin: desplazamiento de los tomos de un slido cristalino a travs de la red cristalina causado por la agitacin trmica.Se produce por la diferencia de concentraciones en el interior de un slido. El aumento de temperatura favorece la difusin.

El aumento de lugares vacantes favorece la difusin.

Los tomos intersticiales tambin se difunden a travs de la estructura cristalina:Mejor si son de pequeo tamao en relacin con los huecos: as el carbono en el hierro.

El movimiento de tomos a travs de la estructura cristalina regula un gran nmero de procesos metalrgicos:Tratamientos trmicos. Tratamientos superficiales.

3.2.- Defectos atmicos lineales: dislocaciones.- Se extienden a lo largo de lineas, por lo que invo