Estructura Interna de los Estructura Interna de los MaterialesMateriales

Fernando Fresno Zarza, 2º A Fernando Fresno Zarza, 2º A Bach.Bach.

7.Estructuras Cristalinas. Generalidades7.Estructuras Cristalinas. Generalidades 7.0 Definición7.0 Definición 7.1 Cristales7.1 Cristales 7.2 Red Cristalina7.2 Red Cristalina 7.3 Redes cristalinas de los metales7.3 Redes cristalinas de los metales --7.3.1 Estudio de estructura cúbica simple7.3.1 Estudio de estructura cúbica simple

-7.3.2 Estudio de estructura cúbica centrada -7.3.2 Estudio de estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)en el cuerpo (BCC)

-7.3.3 Estudio de estructura cúbica centrada -7.3.3 Estudio de estructura cúbica centrada en carasen caras

-7.3.4 Estudio de estructura hexagonal -7.3.4 Estudio de estructura hexagonal compacta (HCP)compacta (HCP)

8. Movimientos de los átomos. 8. Movimientos de los átomos. Influencia de la temperatura.Influencia de la temperatura.

9. Creación y desarrollo de los 9. Creación y desarrollo de los cristales.cristales.10. Cristalización10. Cristalización

10.1 Formación del grano

10.2 El grano

10.2.1 Importancia del tamaño del grano

10.2.2 Aspectos generales de la deformación plástica y elástica.

10.2.3 Acritud y Recristalización

11. Polimorfismo y Aletropía11. Polimorfismo y Aletropía

12. Otros tipos de estructura de los 12. Otros tipos de estructura de los materialesmateriales

12.1 Estructura macrográfica

12.2 Estructura micrográfica

12.2.1 Micrografías de diferentes materiales

7.0 Definición7.0 Definición

La materia puede La materia puede tener tres estados.tener tres estados.

Dentro de los Dentro de los sólidos se puede sólidos se puede hacer una hacer una clasificación entre clasificación entre sólido amorfo y sólido amorfo y sólido cristalino.sólido cristalino.

Sólido amorfo: Sólido amorfo: Las Las partículas se partículas se agrupan sin un orden agrupan sin un orden concreto, relación o concreto, relación o distancia entre ellas. distancia entre ellas. (Vidrio)(Vidrio)

Sólido cristalino: Sólido cristalino: Presenta las Presenta las partículas ordenadas partículas ordenadas de forma especial y de forma especial y repetida en el repetida en el espacio, con formas espacio, con formas geométricas.geométricas.

7.1 Cristales7.1 Cristales

Es cualquier sólido que presenta una Es cualquier sólido que presenta una estructura ordenada, sin tener en cuenta estructura ordenada, sin tener en cuenta que en su formación haya conseguido una que en su formación haya conseguido una forma geométrica regular.forma geométrica regular.

Los metales se obtienen de la fusión, y su Los metales se obtienen de la fusión, y su estructura está constituida por pequeños estructura está constituida por pequeños cristales.cristales.

La forma de los cristales dependerá La forma de los cristales dependerá de varios factores:de varios factores:

1.1. La naturaleza del metalLa naturaleza del metal

2.2. Los tratamientos térmicos a los que se Los tratamientos térmicos a los que se someta el metalsometa el metal

3.3. La forma en la que se realicen estos La forma en la que se realicen estos últimosúltimos

7.2 Red cristalina7.2 Red cristalina Es un diagrama de Es un diagrama de

puntos que indica la puntos que indica la posición de los átomos y posición de los átomos y moléculas. Cada punto moléculas. Cada punto recibe el nombre de recibe el nombre de nudo. Hay 7 timos nudo. Hay 7 timos diferentes de sistemas diferentes de sistemas cristalinos: Cúbico, cristalinos: Cúbico, Tetragonal, Monoclínico, Tetragonal, Monoclínico, Ortorrómbico, Ortorrómbico, Hexagonal y Triagonal.Hexagonal y Triagonal.

Dependiendo de la Dependiendo de la posición de los posición de los átomos no situados en átomos no situados en los vértices, se puede los vértices, se puede dar lugar a varias dar lugar a varias redes cristalinas: redes cristalinas: Sencilla o cúbica Sencilla o cúbica simple, Centradas en simple, Centradas en el cuerpo, Centradas el cuerpo, Centradas en la caray Centradas en la caray Centradas en la base. Con las en la base. Con las distintas distintas combinaciones se combinaciones se crean las redes de crean las redes de Bravais:Bravais:

7.3 Redes cristalinas de los metales7.3 Redes cristalinas de los metales Las redes que estudiamos corresponden Las redes que estudiamos corresponden

a las que cristalizan los metales. Se a las que cristalizan los metales. Se suelen cristalizar en estructuras con suelen cristalizar en estructuras con empaquetamiento muy denso, como la empaquetamiento muy denso, como la Cúbica centrada en las caras (FCC), la Cúbica centrada en las caras (FCC), la Cúbica centrada en la base (BCC), y la Cúbica centrada en la base (BCC), y la Hexagonal compacta (HCP).Hexagonal compacta (HCP).

Se deben tener en cuenta valores como el Se deben tener en cuenta valores como el índice de coordinación y el factor de índice de coordinación y el factor de empaquetamiento atómico.empaquetamiento atómico.

7.3.1 Estudio de estructura cúbica 7.3.1 Estudio de estructura cúbica simple.simple.

Los átomos se distribuyen en los vértices Los átomos se distribuyen en los vértices de un cubo. Su índice de coordinación es de un cubo. Su índice de coordinación es 6, y su número de átomos por celda 6, y su número de átomos por celda elemental es 1.elemental es 1.

7.3.2 Estudio de estructura cúbica 7.3.2 Estudio de estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)centrada en el cuerpo (BCC)

Los átomos se colocan Los átomos se colocan en los vértices de los en los vértices de los cubos, y ocupan los cubos, y ocupan los centros geométricos de centros geométricos de los mismos.los mismos.

Su índice de Su índice de coordinación es 8 y su coordinación es 8 y su número de átomos es 2.número de átomos es 2.

Si a= arista del cubo y Si a= arista del cubo y R= radio atómicoR= radio atómico

34 aR =

3

32da =

32 ad =

3

34Ra =

Si los átomos de la Si los átomos de la estructura BCC tienen estructura BCC tienen forma esférica, el forma esférica, el empaquetamiento empaquetamiento atómico no es atómico no es absoluto. el factor de absoluto. el factor de empaquetamiento empaquetamiento vale 0.68 (68% dela vale 0.68 (68% dela red está ocupada por red está ocupada por materia.materia.

Es característica del Es característica del hierro, el molibdeno, y hierro, el molibdeno, y de los metales duros de los metales duros en general.en general.

Aa 86,248,23

32 =•=

Para el hierro: d = 2.48ª (1A = 10-7 mm)

7.3.3 Estudio de estructura cúbica 7.3.3 Estudio de estructura cúbica centrada en caras (FCC)centrada en caras (FCC)

Es característica de Es característica de muchos metales a muchos metales a temperatura ambiente. temperatura ambiente. Los átomos se colocan Los átomos se colocan en los vértices de los en los vértices de los cubos, pero ninguno de cubos, pero ninguno de ellos se coloca en el ellos se coloca en el centro de gravedad.centro de gravedad.

Su índice de Su índice de coordinación es 12, y el coordinación es 12, y el número de átomos por número de átomos por celda unidad 4.celda unidad 4.

La relación entre la La relación entre la arista de la celda arista de la celda unidad (a) y el radio unidad (a) y el radio atómico (R) crea el atómico (R) crea el empaquetamiento empaquetamiento más compacto. más compacto.

22

2;22 d

daad ===

2

4Ra =

Para el hierro resulta:

Aa 507,3248,2 ==El factor de empaquetamiento de la red FCC es 0,74.Para algunos de estos elementos los cristales de las caras son más grandes que los centrados en el cuerpo. En los cristales de hierro puede haber átomos de carbono. Es característica de materiales dúctiles como el hierro, el oro, la plata cobre, etc.

7.3.4 Estudio de estructura 7.3.4 Estudio de estructura hexagonal compacta (HCP)hexagonal compacta (HCP)

Esta estructura Esta estructura tiene forma de tiene forma de hexágono, y los hexágono, y los átomos se colocan átomos se colocan en los vértices, los en los vértices, los centros de los centros de los hexágonos bases y hexágonos bases y en el plano en el plano equidistante de las equidistante de las dos bases. dos bases.

Es la que compone Es la que compone a los metales más a los metales más frágiles, como el frágiles, como el cadmio, cobalto, cadmio, cobalto, cinc, etc. El índice cinc, etc. El índice de coordinación es de coordinación es 12, y el número de 12, y el número de átomos es igual a 6. átomos es igual a 6.

Su factor de Su factor de empaquetamiento empaquetamiento es igual a 0,74 es igual a 0,74

8. Movimientos de los átomos. 8. Movimientos de los átomos. Influencia de la temperaturaInfluencia de la temperatura

Las posiciones de equilibrio de los átomos son Las posiciones de equilibrio de los átomos son los vértices de las redes. Si se varía la los vértices de las redes. Si se varía la temperatura, las posiciones de equilibrio se temperatura, las posiciones de equilibrio se desplazan, y se producen ondulaciones cuya desplazan, y se producen ondulaciones cuya amplitud es proporcional a la energía contenida. amplitud es proporcional a la energía contenida. Si aumenta la temperatura, aumenta la energía Si aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética, y la amplitud también. Así se produce cinética, y la amplitud también. Así se produce la dilatación térmica. Si la temperatura la dilatación térmica. Si la temperatura sobrepasa un determinado valor, se origina la sobrepasa un determinado valor, se origina la fusión, en la que los áytomos adquieren cierta fusión, en la que los áytomos adquieren cierta libertad. En los dos ocurre una variación del libertad. En los dos ocurre una variación del volumen.volumen.

9. Creación y desarrollo de los 9. Creación y desarrollo de los cristales.cristales.

Los cristales, no pueden desarrollarse Los cristales, no pueden desarrollarse regularmente por causa de la tensión superficial regularmente por causa de la tensión superficial del liquido que los envuelve, y por los del liquido que los envuelve, y por los rozamientos internos y por las interferencias rozamientos internos y por las interferencias entre distintos cristales que se originan durante entre distintos cristales que se originan durante su crecimiento. Debido a esto ,cesa el desarrollo su crecimiento. Debido a esto ,cesa el desarrollo del cristal antes de que haya tomado una forma del cristal antes de que haya tomado una forma geométrica regular y , en definitiva, se obtendrá geométrica regular y , en definitiva, se obtendrá un agregado cristalino de granos de forma , un agregado cristalino de granos de forma , dimensiones y orientación diversas. dimensiones y orientación diversas.

10 Cristalización10 Cristalización

La cristalización es el proceso La cristalización es el proceso mediante el cual los átomos , iones , mediante el cual los átomos , iones , moléculas o conjunto de moléculas moléculas o conjunto de moléculas se ordenan para formar una red se ordenan para formar una red cristalina determinada. cristalina determinada.

10.1 Formación del grano10.1 Formación del grano

La formación del grano va a La formación del grano va a depender de dos factores: depender de dos factores: El numero de gérmenes El numero de gérmenes por unidad de volumen del por unidad de volumen del liquido y la velocidad de liquido y la velocidad de cristalización a partir de cristalización a partir de cada germen. Variará el cada germen. Variará el tamaño y la form del grano tamaño y la form del grano en función de estos en función de estos factoresfactores

10.2 El grano10.2 El grano

Es una porción de Es una porción de materia metálica materia metálica que está limitada que está limitada por una superficie por una superficie irregular. El tamaño irregular. El tamaño varía entre 0,02 y varía entre 0,02 y 0,2 mm 0,2 mm generalmente.generalmente.

10.2.1 Importancia del tamaño del 10.2.1 Importancia del tamaño del granograno

Las propiedades de los metales varían de Las propiedades de los metales varían de manera considerable en función del manera considerable en función del tamaño del grano. Propiedades como, por tamaño del grano. Propiedades como, por ejemplo, dureza, elasticidad, plasticidad, ejemplo, dureza, elasticidad, plasticidad, resistencia a la tracción y al choque. resistencia a la tracción y al choque. Canto menor es el tamaño del grano, Canto menor es el tamaño del grano, mejores son las propiedades de éste.mejores son las propiedades de éste.

10.2.2 Aspectos generales de la 10.2.2 Aspectos generales de la deformación plástica y elástica.deformación plástica y elástica.

Si tras cesar el esfuerzo , el materia Si tras cesar el esfuerzo , el materia recupera su forma original, se trata de recupera su forma original, se trata de una deformación elástica. una deformación elástica.

Si el material permanece deformado al Si el material permanece deformado al cesar el esfuerzo ,se tratara de una cesar el esfuerzo ,se tratara de una deformación plástica. deformación plástica.

En la deformación elástica los átomos En la deformación elástica los átomos se separan de sus posiciones de se separan de sus posiciones de equilibrio al ser sometidos a esfuerzos equilibrio al ser sometidos a esfuerzos relativamente pequeños. relativamente pequeños.

En la deformación plástica , la fuerza En la deformación plástica , la fuerza aplicada es mayor , para que los aplicada es mayor , para que los átomos se separen mas respecto a átomos se separen mas respecto a sus posiciones de equilibrio.sus posiciones de equilibrio.

10.2.3 Acritud y Recristalización10.2.3 Acritud y Recristalización

Al aumento de dureza y fragilidad se le Al aumento de dureza y fragilidad se le denomina acritud, y al fenómeno de denomina acritud, y al fenómeno de regeneración del grano se le denomina regeneración del grano se le denomina recristalización. Si tiene mucha acritud, se recristalización. Si tiene mucha acritud, se necesita elevar poco la temperatura de necesita elevar poco la temperatura de recristalización, y si tiene poca acritud, la recristalización, y si tiene poca acritud, la temperatura de recristalización será mas alta temperatura de recristalización será mas alta

Si la deformación del material se realiza en Si la deformación del material se realiza en caliente , no se produce acritud , ya que al caliente , no se produce acritud , ya que al producirse la deformacion se va produciendo la producirse la deformacion se va produciendo la recristalización recristalización

11. Polimorfismo y Aletropía11. Polimorfismo y Aletropía Existen elementos y compuestos Existen elementos y compuestos

que pueden presentar distintas que pueden presentar distintas estructuras cristalinas estructuras cristalinas dependiendo de varios factores dependiendo de varios factores como la presión y la como la presión y la temperatura. temperatura.

IsomorfismoIsomorfismo: se llaman : se llaman isomorfas las sustancias que isomorfas las sustancias que teniendo el mismo sistema de teniendo el mismo sistema de cristalización, son de distinta cristalización, son de distinta naturaleza naturaleza

PolimorfismoPolimorfismo: se llaman : se llaman polimorfas las sustancias que polimorfas las sustancias que teniendo la misma naturaleza, teniendo la misma naturaleza, cristalizan de forma distinta cristalizan de forma distinta

AlotropíaAlotropía: cuando las sustancias : cuando las sustancias polimorfas son puras , el polimorfas son puras , el fenómeno se llama alotropía y fenómeno se llama alotropía y los estados que toman en los estados que toman en diferente red espacial se diferente red espacial se denominan estados alotrópicos denominan estados alotrópicos

12. Otros tipos de estructura de los 12. Otros tipos de estructura de los materialesmateriales

Además e las Además e las estructuras estructuras cristalinas, existen cristalinas, existen otros dos tipos de otros dos tipos de estructura que se estructura que se centran en el grano:centran en el grano:

-Estructura -Estructura micrográficamicrográfica

-Estructura -Estructura macrográficamacrográfica

12.1 Estructura macrográfica12.1 Estructura macrográficaEl análisis macrográfico permite conocer: La forma estructural, la El análisis macrográfico permite conocer: La forma estructural, la

homogeneidad de la estructura, el efecto de tratamientos térmicos y homogeneidad de la estructura, el efecto de tratamientos térmicos y elaboraciones mecánicas, defectos puntuales de importancia: fisuras, elaboraciones mecánicas, defectos puntuales de importancia: fisuras, oclusiones y eventual disposición en fibras debido a las elaboraciones oclusiones y eventual disposición en fibras debido a las elaboraciones plásticas. plásticas.

El examen macrográfico puede realizarse sobre una fractura de la piezas El examen macrográfico puede realizarse sobre una fractura de la piezas , provocada intencionadamente o sobre una sección, , provocada intencionadamente o sobre una sección, convenientemente preparada y atacada con reactivos convenientemente preparada y atacada con reactivos

12.2 Estructura micrográfica12.2 Estructura micrográfica

El elemento más importante es el grano y puede El elemento más importante es el grano y puede observarse en el microscopio metalográfico después de observarse en el microscopio metalográfico después de una adecuada preparación.una adecuada preparación.

12.2.1 Micrografías de diferentes 12.2.1 Micrografías de diferentes materialesmateriales