3_Cristales-2015-1

Ing. Luis Alberto Sampén Alquizar

A

1

OBJETIVOSComprender los diferentes tipos de

enlaces atómicos.Reconocer los diferentes tipos de

estructura cristalina.Determinar características en las

estructuras cristalinas: cubica centrada en las caras y cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal compacta.

Distinguir los principales defectos cristalinos y su influencia en los materiales.

Comprender como ocurre la deformación plástica en los metales.

2

1. Los enlaces interatómicos

2. La estructura cristalina

3. Estructuras cristalinas compactas

4. Direcciones y planos cristalográficos

5. Difracción de rayos X

6. Monocristales y policristales

3

1 Los enlaces interatómicos

• Generalidades - Para entender las propiedades macroscópicas de los materiales es necesario en muchas ocasiones saber como están los átomos unidos entre sí

• Por un lado hay que saber que fuerzas los unen

• Y por otro lado como están dispuestos entre sí

4


• Enlaces primarios

- Son enlaces bastante fuertes

- Se rompen a temperaturas de entre 1000 y 5000 K

- A esta categoría pertenecen los enlaces iónicos, covalentes y metálicos

- Las cerámicas y los metales están unidos exclusivamente por este tipo de enlaces

5


• Enlaces primarios / Enlace Iónico

- Los óxidos(Al2O3, MgO) y los compuestos iónicos (NaCl, LiF) están unidos mediante este tipo de enlace

- El caso más típico es el del Cloruro Sódico (Sal común)

6


• Enlaces primarios / Enlace Iónico - Cloruro Sódico (NaCl)

• Sodio (Na): 11 electrones • Cloro (Cl): 17 electrones

7


• Enlaces primarios / Enlace Iónico - Energía de un enlace iónico

• TOTAL

• Ionización

• Atractivo

• Repulsivo

8

• Enlaces primarios / Enlace Iónico

- Pese a que los electrones de los iones se colocan en regiones de formas complejas (orbitales) se puede considerar que el enlace iónico no es direccional

Geometría de algunos tipos de orbitales


9

• Enlaces primarios / Enlace Covalente

- Aparece en diversos materiales:

• Materiales puros con alto módulo elástico (Diamante,

Si, Ge)

• Silicatos y vidrios (Rocas, ladrillos, cemento, ...)

• Metales de alto punto de fusión (W, Mo, Ta)

• Uniendo los átomos de Carbono de los polímeros


10


- El ejemplo más sencillo corresponde al hidrógeno

- La proximidad de los átomos hacen que se solapen los orbitales electrónicos reduciendo la energía


11

- Energía de un enlace covalente (empírico)

• TOTAL

• Atractivo

• Repulsivo



12

- El ejemplo más relevante de enlace covalente es el diamante (C)

- Enlaces fuertemente orientados



13

- Otros ejemplos de enlaces covalentes

Propano (C3H8) Agua (H20) Ácido Acético

(CH3COOH)



14

- Es el principal (pero no el único) enlace presente en los metales - Los electrones más energéticos abandonan los átomos ionizándolos

- Estos electrones libres forman un “nube” que rodea a los átomos


• Enlaces primarios / Enlace Metálico

15

• Enlaces primarios / Enlace Metálico

- La facilidad de movimiento del “mar” de electrones facilita notablemente la conductividad eléctrica - La curva de la energía del enlace es muy similar a la mostrada para el enlace covalente - Los enlaces metálicos no son direccionales - Al no tener enlaces direccionales los átomos tienden a empaquetarse formando estructuras de alta densidad


16

• Enlaces secundarios

- Son enlaces débiles

- Se disocian a temperaturas de entre 100 y 500 K

- A esta categoría pertenecen las uniones de Van der Waals y los puentes de hidrógeno

- Estos enlaces aparecen principalmente en los polímeros y en los líquidos


17

- Estos enlaces, que unen las cadenas poliméricas entre sí, hacen que el polietileno(y otros polímeros) sean sólidos

- Así mismo si este tipo de enlaces no existiera el agua herviría a -800C


• Enlaces secundarios

18

• Enlaces secundarios / Van der Waals

- Describe la atracción que sufren los átomos no cargados a causa de los dipolos que aparecen esporádicamente en su interior


19

- Energía de un enlace de Van der Waals es

• TOTAL

• Atractivo

• Repulsivo



20

- El nitrógeno líquido se mantiene en ese estado a -1980C a causa de los enlaces de Van der Waals

- Sin estos enlaces, la mayoría de los gases no se podrían licuar y por lo tanto no se podrían separa industrialmente



21

• Enlaces secundarios / Puente de hidrógeno

- El enlace por puente de hidrógeno es el encargado de mantener el agua líquida a temperatura ambiente y de unir las cadenas poliméricas entre sí

- La atracción entre moléculas se produce cuando estas son dipolares


22

- Un ejemplo donde este tipo de enlace es especialmente importante es el “Hielo I”


• Enlaces secundarios / Puente de hidrógeno

23

• Fuerzas interatómicas

- Conociendo el potencial del enlace es posible calcular la fuerza asociada a este mediante la expresión:


24

- Si se separan los átomos una pequeña distancia r-r0, la fuerza que aparece entre ellos es proporcional a dicha distancia

- La rigidez del enlace se expresa como:


• Fuerzas interatómicas

25

2 La estructura cristalina

• Distribución periódica de los átomos • Simetrías• Los sistemas cristalinos

26

• Distribución periódica de los átomos

- Un cristal ideal se construye mediante la infinita repetición de unidades estructurales idénticas

- En los cristales más sencillos la unidadestructural es un solo átomo (Cu, Ag, Au,...)

- En muchos casos la unidad estructural puede contener muchos átomos o moléculas


27

- Para una estructura cristalina fija es posible escoger distintas celdas primitivas, pero todas ellas contendrán el mismo número de átomos

- La celda unidad convencional se elige de forma que refleje la simetría del cristal



28

- Como ejemplo; una celda que posea un átomo en cada vértice (cada uno compartido con 8 vecinos) tendrá:



29

- Un sistema cristalino puede presentar tres tipos de simetría:

• Simetrías


30

- Los sistemas cristalinos vienen definidos por la simetría; no la forma de la celda unidad.

- La forma de la celda unidad es una consecuencia de la simetría.

• Los sistemas cristalinos


31



32

- Todas estas redes pueden ser combinadas con cuatro tipos de celdas primitivas



33

- Las combinaciones resultantes dan las 14 redes de Bravais



34

3 Estructuras cristalinas compactas

• Factor de empaquetamiento atómico• Cúbica centrada en las caras (FCC)• Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)• Hexagonal compacto (HCP)

35

• Factor de empaquetamiento atómico (APF)

- El APF es la fracción volumétrica de una estructura cristalina ocupada por los átomos

- Es adimensional y menor de uno

- De forma práctica, el APF de una estructura cristalina, se determina suponiendo que los átomos son esferas rígidas


36

- Factor de empaquetamiento atómico: 0.74

- Ejemplos: Al, Ag, Cu,…

• Cúbica centrada en las caras (FCC)


37


- Ejemplos: Na, Fe,…

• Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)


38


- Ejemplos: Mg, C, Ti,…

• Hexagonal compacto (HCP)


39


• Hexagonal compacto (HCP)

40

4 Direcciones y planos cristalográficos

• Índices de Miller• Direcciones cristalográficas• Planos cristalográficos• Aspectos gráficos• Planos compactos

41

- Es un sistema de notación cristalográfica para definir planos y direcciones en redes cristalinas

- Direcciones y planos se representan por grupos de tres números enteros


• Índices de Miller

42

- Una dirección cristalográfica es una línea imaginaria que une nodos(átomos, iones o moléculas) de un cristal

- Notación: [i j k] Única dirección

⟨i j k Familia de direcciones ⟩


• Direcciones cristalográficas

43

- Planos cristalográficos son planos ficticios que unen nodos de la red

- Notación: (h k l) Único plano

{h k l} Familia de planos


• Planos Cristalográficos

44

- El plano (h k l) corta a los vectores primitivos en a1/h, a2/k y a3/l, o algún múltiplo



45

- Ejemplos 3D



46



- Ejemplos 3D

47

- Para redes cúbicas, la distancia entre dos planos paralelos (h k l) es:



48

- Algunas propiedades de los materiales están directamente relacionadas con los planos y direcciones cristalográficas

• Propiedades ópticas

• Adsorción y reactividad

• Tensión superficial

• Dislocaciones y comportamiento plástico


• Aspectos gráficos

49

- Ciertos planos presentan un elevado grado de empaquetamiento de átomos

- Estos planos tienen una gran importancia para el fenómeno de la deformación plástica

• Cúbica centrada en el cuerpo: {111}

• Hexagonal compacta: {001} Plano basal


• Planos compactos

50

5 Difracción de Rayos X

• Introducción• Ley de Bragg• Condiciones de difracción• Métodos experimentales de difracción• Aplicaciones

51

- Es una técnica para determinar el ordenamiento de los átomos en el interior de un cristal

- Esta información se obtiene a partir del modo en que un haz de rayos X es dispersado por el cristal - Esta dispersión es consecuencia directa de la disposición periódica de los átomos


• Introducción

52

- Es una condición necesaria para tener difracción


• Ley de Bragg

53

- Cúbica simple:

• Todos los planos (hkl) existentes

• Planos (hkl) con h, k y l pares

• Planos (hkl) con h, k y l impares

- Cúbica centrada en el cuerpo (BCC):

• Planos (hkl) que satisfagan que h+k+l par


• Condiciones de difracción

- Cúbica centrada en las caras (FCC):

54

- Método de Laue

• La muestra ha de ser monocristalina y con

espesor menor de 1 mm

• Emplea radiación X policromática

• El cristal solo difractará longitudes de onda que

satisfagan la ley de Bragg para algún plano y

ángulo concretos

• El patrón de difracción se registra en una

película colocada en frente (o detrás) de la

muestra


• Métodos experimentales de difracción

55



- Método de Laue

56

- Método del cristal giratorio

• La muestra es monocristalina menor de 1

mm3

• Se emplea un fuente de rayos X

monocromática

• El monocristal solo difractara en los

ángulo que satisfagan la ley de Bragg para

un cierto plano • La muestra se gira para

obtener todos los ángulos difractados



57



- Método del cristal giratorio

58

- Método de Debye-Scherrer

• La muestra es policristalina (típicamente

polvo)

• Se emplea una fuente de rayos X

monocromática

• La muestra difractará todos los ángulos que

satisfagan la ley de Bragg

• Solo se emplea en elementos con muy alta

simetría • Muy útil para identificar y analizar

compuestos



59




60


• Métodos experimentales de difracción- Método de Debye-Scherrer (Cámara cilíndrica)

61




62

- Determinación de estructuras/redes

cristalinas

- Determinación de orientaciones

cristalográficas

- Determinación de parámetro de red

- Identificación y análisis de compuestos

- Determinación de tensiones en materiales


• Aplicaciones

63

6 Monocristales y policristales

• Ordenamientos atómicos• Monocristales• Policristales

64

• Ordenamientos atómicos

- En los sólidos es energéticamente más estable disponer los átomos en redes regulares que no guardar ningún orden


65

- El ordenamiento atómico es perfecto

- No hay interrupciones a lo largo de todo el material

- No hay cambios en la orientación de la red

- La forma macroscópica de un monocristal puede reflejar o no la simetría de la estructura cristalina

• Monocristales


66

- Los monocristales son muy anisótropos: La anisotropía dependerá de la simetría del cristal

- Ejemplo: El módulo elástico del Cu es 66.7 GPa en la dirección [100], 130.3 GPa en la dirección [110] y 191.1 GPa en la [111]

• Monocristales


67

- Métodos de producción • Método de Czochralsky

• Monocristales


68

• Monocristales


- Métodos de producción • Técnica de Bridgeman

69

- Ejemplos de monocristales naturales • Monocristales


70

- Ejemplos de monocristales artificiales

• Monocristales


71

- Aplicaciones tecnológicas • Monocristales de Si en microelectrónica

• Monocristales de Zafiro (Al2O3) para la industria del láser • Monocristales de Fluorita (CaF2) para objetivos de telescopios

• Monocristales de superaleaciones de Ni para álabes de turbinas

• Monocristales de Cu para cables de altas prestaciones

• Monocristales


72

- La mayoría de los sólidos cristalinos están formados por pequeñas “cristalitas”

- La estructura del cristal es la misma en cada una de las cristalitas, pero la orientación de la red varía de unas a otras

- Estas cristalitas se denominan granos

• Policristales


73

• Policristales


74

- Si todos los granos están orientados aleatoriamente los policristales se comportan de forma isótropa

- Muchas propiedades dependen del tamaño de grano

• Policristales


75

7 Deformación plástica 7 Deformación plástica

Metales Resistencia y ductilidad son fuertemente controladas por la estructura atómica y microestructura

◦ Por ello es importante estudiar y entender con claridad el mecanismo de control de estas propiedades Inicialmente deformación de monocristales Luego deformación de policristales

Deformación◦ Deformación elástica completamente

recuperable al eliminarse el esfuerzo◦ Deformación plástica no recuperable al

eliminarse el esfuerzo


Desplazamiento atómico producido por un esfuerzo cortante :

E G

Mecanismos de deformación plástica:deslizamientomacladodeslizamiento en los límites de granotermofluencia difusional

Deslizamiento Movimiento paralelo de dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún plano (o planos)

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


Los planos compactos hacen más fácil el deslizamiento que los planos alineados en otra dirección respecto al esfuerzo cortante


Sistemas de deslizamiento ccca

Planos {111}Direcciones <110>


Sistemas de deslizamiento cccu


Sistemas de deslizamiento hc7 Deformación plástica 7 Deformación plástica

Deslizamiento ccca


8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales Esfuerzo cortante resuelto (factor de Schmid)

Supóngase un monocristal cilíndrico de un metal ccca

Tensión bajo una fuerza F Deslizamiento

planos (111) 3 direcciones <110>

Resolver el esfuerzo cortante sobre el plano (111) y a lo largo de las direcciones <110>

¿Cuál es el esfuerzo cortante resuelto a lo largo de una direcciónque hace un ángulo con el eje de tensión en el plano cuya normal forma un ángulo con dicho eje?

AcosAe

2a4

A

ba4

Ae

acosb

cosF

8 Resistencia de los metales8 Resistencia de los metales

Esfuerzo cortante resuelto (r )

)cos(cosAF

r e

r AcosF )FS(r

: esfuerzo de tensión y FS: factor de Schmid


Se ha encontrado que en un sistema de deslizamiento se producirá el deslizamiento cuando el esfuerzo cortante resuelto en ese sistema alcance cierto valor crítico

Al esfuerzo cortante resuelto requerido para iniciar el deslizamiento sobre un sistema de deslizamiento dado se le llama a menudo esfuerzo cortante crítico resuelto (ECCR) y su valor depende en gran medida de la pureza del metal (ver siguiente tabla)

Resistencia teórica de los metales


Esfuerzo cortante teórico

◦Es el esfuerzo cortante determinado teóricamente, capaz de producir el deslizamiento de todos los átomos - de una sola vez - que se hallan encima (o debajo) del plano de deslizamiento, haciendo que se desplacen permanentemente desde un conjunto de sitios reticulares hasta otro nuevo conjunto de sitios en la red

◦¿Cuál es el esfuerzo cortante teórico necesario para producir un desplazamiento permanente de los átomos?


a2bG

m

¿Cuál es la diferencia entre el esfuerzo cortante crítico resuelto (ECCR) y el esfuerzo cortante de teórico (límite elástico o límite de fluencia) de los metales? ¿Porqué?


9 DEFECTOS CRISTALINOS9 DEFECTOS CRISTALINOS

Una red cristalina ideal supone una posición tridimensional de repetición perfecta

Los cristales de los metales reales tienen varios defectos, éstos se enlistan sistemáticamente como sigue:1. Vacancias2. Átomos del metal (base) colocados en forma intersticial3. Un átomo extraño colocado en forma substitucional4. Un átomo extraño colocado en forma intersticial5. Dislocaciones6. Maclas o fallas de apilamiento7. Límites de grano8. Huecos o cavidades9. Inclusiones

puntuales

planares

de volumen

lineales

Defectos puntuales

9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinos

1. vacancia 4. átomo extraño intersticial

3. átomo extraño pequeño sustitucional

3. átomo extraño grande sustitucional

Dislocaciones de borde



Dislocación de tornillo o helicoidal

9 Defectos cristalinos9 Defectos cristalinosDislocaciones mixtas

Bandas y escalones de deslizamiento causadas por el movimiento de dislocaciones (acero AISI 1010 - SEM)


10 10 Resistencia real de metales Resistencia real de metales

Metales reales policristalinos

F´E

B

R

PF

O

10 10 Resistencia real de los metales Resistencia real de los metales

Resistencia real f(densidad de dislocaciones)

10 10 Resistencia real de los metalesResistencia real de los metales

Enmarañamiento de dislocaciones en límites de grano (TEM)

10 10 Resistencia real de los metalesResistencia real de los metales

1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento

Recuerdese que:◦La deformación plástica se debe al

movimiento de las dislocaciones◦La resistencia a la fluencia de un metal (o

aleación) usualmente se puede incrementar mediante la introducción de obstáculos al movimiento de dislocaciones

Tales obstáculos pueden ser:◦Enmarañamiento de dislocaciones◦Límites de grano◦Estructuras cristalinas distorsionadas debido

a átomos de impureza◦Pequeñas partículas dispersas en la

estructura cristalina

1111 Mecanismos de endurecimiento Mecanismos de endurecimiento Métodos de endurecimiento de los metalesMétodos de endurecimiento de los metales

104

MÉTODO CARACTERÍSTICA QUE IMPIDE EL MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES

Trabajo en frío Elevadas densidades de dislocaciones producen enmarañamientos

Afinamiento de grano Cambios en la orientación del cristal y otras irregularidades en los límites de grano

Fortalecimiento por solución sólida

Impurezas intersticiales o substitucionales distorsionan la estructura cristalina

Endurecimiento por precipitación

Partículas finas de un material duro precipitan fuera de la solución en el enfriamiento

Fases múltiples Discontinuidades en los límites de fase de una estructura cristalina

Templado y revenido Estructuras multifásicas de martensita y carburos precipitados (Fe3C)

Trabajo en frío Produce cambios en la microestructura y por

tanto en las propiedades: cambio en la forma de grano endurecimiento por deformación y un aumento en la densidad de dislocaciones

Una fracción de la energía consumida en la deformación es almacenada en el metal como energía de deformación la energía almacenada está asociada con las

concentraciones de tensiones (tracción, compresión y cizalladura) alrededor de las dislocaciones creadas

Además, otras propiedades son modificadas conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión,

etc.


comportamiento a tracción


Resistencia a la tracción


Ductilidad Resistencia a la fluencia

comportamiento a tracción

Recuperación recristalización crecimiento


18/04/23 jaasullcahuamán 109ÍNDICEÍNDICE >><<

T° recristalización

Trabajo en caliente

Trabajo en frío

+ recristalización


Afinamiento de grano ◦ El tamaño, o el diámetro medio, de los granos de

un metal policristalino afecta a las propiedades mecánicas

◦ El límite de grano actúa como barrera al movimiento de dislocaciones por dos razones: la posibilidad de que una dislocación pase de un

grano a otro vecino se hace más difícil a medida que aumenta la diferencia en la orientación (mayor ángulo)

el desorden atómico en el límite de grano producirá una discontinuidad de los planos de deslizamiento de un grano a otro

◦ Un material con grano fino es más duro y resistente que otro que tiene granos gruesos material de grano fino tiene un área total de límite

de grano mayor para impedir el movimiento de las dislocaciones

◦ Control solidificación, deformación y recristalización


111

12 Difusión en estado sólido12 Difusión en estado sólido

◦La difusión es una forma de transporte de masa

◦La difusión es la migración de átomos a través de la red cristalina no incluye los movimientos atómicos que se

producen en la deformación plástica

Energía de activación ( Q ). Generalmente un átomo sustitucional requiere mayor energía que otro intersticial

12 Difusión en estado sólido

Mecanismos de difusión


DIFUSIÓN SUSTITUCIONAL◦ En el caso anterior no se mencionó el

movimiento de difusión de los átomos de Fe , ya que tal movimiento es insignificante comparado con el de los átomos más pequeños y más móviles del C .

◦ Supóngase, ahora, que el par de difusión está formado por Cu y Ni (ver figura siguiente) Átomos casi del mismo tamaño se disuelven

uno en otro como solutos sustitucionales Se espera que la movilidad de estos átomos

sea de casi el mismo orden de magnitud◦ Se debe considerar tanto la difusión del Cu

hacia la derecha como la del Ni hacia la izquierda


Difusión sustitucional del par cobre-níquel. Al final, los átomos de cobre están uniformemente distribuidos en todo el níquel


CARBURIZACIÓN O CEMENTACIÓN◦Supóngase que una barra de Fe puro tiene

un extremo relleno con grafito y se calienta a 700°C como se ilustra en la figura siguiente:


◦Considerando el elemento diferencial de volumen para la difusión unidireccional del experimento anterior:

Se puede demostrar la 2° ley de Fick :

tC

]ZC

D[Z

111

Es una ecuación diferencial parcial de C1 como variable dependiente y Z y t como las dos variables independientes C1 = f(Z,t,D)


18/04/23 jaasullcahuamán 120ÍNDICEÍNDICE >><<


VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA DIFUSIÓNLas variables que influyen en la difusión se reflejan directamente en el coeficiente de difusión D◦ El coeficiente de difusión D no es constante◦ D es una función de muchas variables, tales como:

la temperatura la concentración la estructura cristalina las impurezas el tamaño de grano

◦ Para un caso determinado se supone que estas variables tienen valores específicos D es un número


D es una función notable de la Temperatura

Donde Do , Q y R son constantes independientes de la temperatura Do : factor de frecuencia frecuencia de

vibración de los átomos que se difunden Q : energía de activación representa la

medida de la barrera de energía que tiende a impedir la difusión

R : constante de los gases T : temperatura absoluta (K)

RTQ

eDD o


Constitución de las Aleaciones Constitución de las Aleaciones y Diagramas de Fasey Diagramas de Fase

123

ObjetivosObjetivosEntender los conceptos de aleación,

fase, solución solida y compuestos.Aprender a interpretar un diagrama de

fasesIdentificar sistemas de aleaciones y

predecir microestructuras en función de su composición y temperatura

125

AleaciónAleación

Aleación metálica: Mezcla de dos o más metales o de un metal con un no MetalSe busca mejorar las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión, u otras propiedades de los metales purosLas aleaciones pueden ser homogéneas (una sola fase) u heterogéneas (dos o mas fases)

126

Clasificación de las aleacionesClasificación de las aleaciones

127

FaseFase

Porción de microestructura homogénea química y estructuralmente

Conglomerado homogéneo de materiaMisma estructura y ordenamiento

atómicoMisma composición química y

propiedadesInterface definida con alguna fase

circundante

128

FASEFASE

129

FASEFASE

130

Solución sólidaSolución sólida

Es un sólido que consiste de dos o más elementos atómicamente dispersos formando una sola fase.

Presenta un soluto y un solvente

Sus propiedades están relacionadas con las de los elementos que la forman

131

Solución sólidaSolución sólida

132

Tipos de solución sólidaTipos de solución sólida

133

1.- Solución Solida 1.- Solución Solida sustitucionalsustitucional Formada por dos elementos en

donde átomos de soluto sustituyen átomos del solvente en la red cristalina

Los diámetros de los átomos no deben diferir en mas de 15%

La estructura cristalina debe ser la misma

Los elementos deben tener la misma valencia

134

2.-Solución solida intersticial2.-Solución solida intersticial

El soluto se acomoda en los espacios intersticiales en la red del solvente

Se forman cuando uno de los átomos es suficientemente grande en comparación al otro

Átomos intersticiales: H, C, N, O

135

CompuestosCompuestosFormados principalmente

entre elementos que poseen afinidad química, valencia positiva y negativa

Los elementos pierden su identidad individual

El compuesto tiene sus propias propiedades físicas, mecánicas y químicas

Se denominan mediante una fórmula química (Fe3C, Mg2Pb, etc.)

136

CompuestosCompuestosPresentan generalmente enlace

iónico o covalentePropiedades esencialmente no

metálicasPoca ductilidadBaja conductividadEjemplos: Fe3C, Mg2Pb, Mg2Sn,

Cu2Se

137

Diagrama de fasesDiagrama de fases

138

DefiniciónDefiniciónRepresentación gráfica de fases

presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones

Construidos bajo condiciones de equilibrio (enfriamientos lentos)

Empleados para entender y predecir varios aspectos del comportamiento de materiales

139

Diagrama de fasesDiagrama de fases

Permiten determinar a una determinada temperatura:Tipo y número de fases presentesComposición química de cada faseCantidad relativa de cada fasePuntos de transformación de fase

140

SolubilidadSolubilidad

141

Lamborghini MurcielagoLamborghini Murcielago

142

Tipos de diagramas de faseTipos de diagramas de fase

Tipo I: Elementos completamente solubles en estado sólido y en estado líquido.

Tipo II: Elementos insolubles en estado sólido

Tipo III: Elementos parcialmente solubles en estado sólido

143

DIAGRAMA TIPO IDIAGRAMA TIPO I

144

Diagrama Tipo IDiagrama Tipo I

145

Determinación de composición Determinación de composición químicaquímica

146

Determinación de cantidad de Determinación de cantidad de fasefase

147

DIAGRAMA TIPO IIDIAGRAMA TIPO II

148

Diagrama Tipo IIDiagrama Tipo II

149

Diagrama de equilibrio Fe-Diagrama de equilibrio Fe-FeFe33CC

150

Principales Principales reacciones reacciones isotérmicasisotérmicas

151

%% de fases a de fases a temperatura temperatura ambienteambiente

152

% de fases a % de fases a temperatura temperatura ambienteambiente

153

Aleaciones Fe-CAleaciones Fe-C

El Fe es el elemento mayoritario en diversas aleaciones.

Las propiedades que presenta el hierro en estado casi puro son:

Es blando y dúctil (90 HB y 40 % deformación)

Posee baja resistencia mecánica (270 MPa)

Densidad: 7,87 g/cm3 (relativamente alta)

Las aleaciones Fe-C no contienen mucho % C (2-2.5%C)

Se estudia las aleaciones Fe-C hasta 6,67%C (Diagrama Fe-Fe3C)

154

Diagrama Fe-FeDiagrama Fe-Fe33C: Fases C: Fases presentespresentes

155

Reacción isotérmica Reacción isotérmica eutectoideeutectoide

156

Enfriamiento: Acero Enfriamiento: Acero hipoeutectoidehipoeutectoide

158

Fe-FeFe-Fe33C: Aceros C: Aceros hipoeutectoideshipoeutectoidesMicroconstituyentesMicroconstituyentes

159

Fe-FeFe-Fe33C: Aceros C: Aceros hipoeutectoideshipoeutectoides

160

Enfriamiento: Acero Enfriamiento: Acero hipereutectoidehipereutectoide

161

Microestructura: acero Microestructura: acero hipereutectoidehipereutectoide

Aceros hipereutectoides0,8 < %C < 2,0

FasesFerrita Cementita (Fe3C)

MicroconstituyentesPerlita (ferrita + Fe3C)Cementita reticular o cementita primaria.

162

Aceros al C enfriados en equilibrio Aceros al C enfriados en equilibrio MicroconstituyentesMicroconstituyentes

163

Propiedades de la Propiedades de la ferrita y cementitaferrita y cementita

164

Propiedades de la Propiedades de la perlita (gruesa)perlita (gruesa)

165

Resistencia de los aceros Resistencia de los aceros % C < 0,8% C < 0,8enfriados lentamenteenfriados lentamente

166

EjerciciosEjerciciosEl hierro puro es un metal que presenta:

a)Alta dureza

b)Alta resistencia mecánica

c)Alta ductilidad

d)Alta tenacidad

De acuerdo con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, toda aleación presentará como fases:

a)Hierro y carbono

b)Hierro y cementita

c)Ferrita y cementita

d)Ferrita, cementita y perlita

La austenita es:

a)Un solución sólida intersticial

b)Un solución sólida intersticial saturada

c)Un solución sólida intersticial sobresaturada

d)Un compuesto intersticial

167

EjerciciosEjerciciosDe acuerdo con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, cuando aumenta el contenido de carbono en un acero, a temperatura ambiente, aumentará la:

a)Ferrita

b)Cementita

c)Perlita

De acuerdo con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C, a mayor contenido de carbono en un acero será más:

a)Duro

b)Resistente (mecánicamente)

c)Dúctil

d)Tenaz

La cementita es:

a)Un solución sólida intersticial no saturada

b)Un solución sólida intersticial saturada

c)Un solución sólida intersticial sobresaturada

d)Un compuesto intersticial

168

ResumenResumenEl hierro

Baja resistencia, blando y alta ductilidad

Alotropía

Diagrama Fe-Fe3C

Fases: líquido, austenita, ferrita y cementita (Fe3C)

Tres reacciones isotérmicas: peritéctica, eutéctica y eutectoide

Aceros al carbono (enfriados en equilibrio)

Fases: Ferrita y Fe3C

Microconstituyentes:Acero eutectoide (%C=0.8): 100 % perlitaHipoeutéctoide (%C<0.8): ferrita y perlitaHipereutéctoide (%C>0.8): Fe3C y perlita

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BibliografíaBibliografía• Lean, P. (2007). Introducción a la ingeniería de

materiales. 1ra. Edi, Edit. PUCP, Lima, Perú.

• Smith, W. Hashemi, J. (2004). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. 4ta. Edi, Edit. McGraw-Hill, México D.F., México.

• Askeland, D. (2010). Fundamentos de ingeniería y ciencia de materiales. 2da. Edi, Edit. Cenagage Learning, México D.F., México.

• Shackefolford, J. (1995). Ciencia de Materiales para ingenieros. 3ra. Edi, Edit. Prentice Hill, México D.F., México.

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