Guia de Practicas Estructura Cristalina de Los Metales

Guía de practicas/Metalurgia Física I-2011/Nº 2 FIP/EPIM/JMJG

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE INGENIERÍA PROCESOS

Ingeniería Metalúrgica

GUIA DE PRÁCTICAS

Metalurgia Física I

PRACTICA Nº 2

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES

2011


ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES 1. Objetivos:

En esta práctica el alumno construirá los tres tipos de redes cristalinas al hierro básicamente el cúbico centrada en el cuerpo (BCC), cúbico centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta (HCP). Al construir las celdas elementales con las que se arman las redes cristalinas el alumno será capas de analizar parámetros como el factor de empaquetamiento, numero de coordinación, retículo cristalino,

2. Introducción:

Algunas de las propiedades de los metales tales como la densidad, dureza, punto de fusión, conductividad eléctrica y calorífica están relacionadas con la estructura cristalina y también con el enlace metálico. Sin embargo, ninguna depende tanto de la estructura cristalina como las propiedades mecánicas tales como la maleabilidad, ductilidad, resistencia a la tensión, temple y capacidad de hacer aleaciones Casi todos los materiales sólidos no metálicos con los que uno a diario esta en contacto, encuentra que no hay diferencia característica entre su forma externa y la de casi todos los objetos metálicos. De aquí que resulte bastante sorprendente para la mayoría de la gente saber que los materiales metálicos poseen una estructura cristalina, mientras que materiales como la madera, plásticos, papel, vidrio y otros no la poseen, éste tipo de materiales tienen un arreglo al azar en sus partículas de manera que logran rigidez a la temperatura ambiente. Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus partículas, en amorfos y cristalinos. Se puede decir que un sólido es un material que posee forma y volumen definidos y que es una sustancia constituida por átomos metálicos, átomos no metálicos, iones ó moléculas. En los sólidos existe un orden determinado, regular de distribución de los átomos, las fuerzas de atracción y repulsión mutua están en equilibrio y el sólido conserva su forma. Terminología especializada: Polimorfismo: fenómeno en el cual un sólido (metálico o no metálico) puede presentar más de una estructura cristalina, dependiendo de la temperatura y de la presión (por ejemplo, Al2O3 como alumina-α y alumina-γ).

Alotropía: polimorfismo en elementos puros.

Anisotropía: Cuando las propiedades de un material dependen de la dirección en que son medidas.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE METALURGICA


Isotropía: Cuando las propiedades de un material NO dependen de la dirección en que son medidas.

Según la distribución espacial de los átomos, moléculas o iones, los materiales sólidos pueden ser clasificados en: Cristalinos: compuestos por átomos, moléculas o iones organizados de una forma periódica entres dimensiones. Las posiciones ocupadas siguen una ordenación que se repite para grandes distancias atómicas (de largo alcance). Amorfos: compuestos por átomos, moléculas o iones que no presentan una ordenación de largo alcance. Pueden presentar ordenación de corto alcance.

3. Materiales: Para la construcción de las deferentes estructuras cristalinas será necesario contar con materiales los cuales serán traídos al laboratorio para su construcción.

� Alambre Nº 12 galvanizado (1 Kilo por grupo) � Esferas de tecknopor (40 de 2” o similar) � Pegamento (UHU)

4. Equipos y Herramientas:

� Cutter � Regla dimensionada � Alicate de corte � Complementarios

5. Desarrollo experimental:

a) Esta practica la iniciaremos cortando los alambres galvanizados en una dimensión de 25cm (16 piezas), seguidamente estos alambres serán enderezados uniformemente. Además se cortaran alambres para la celda hexagonal de dimensiones 20cm (12 piezas) y de 30cm 6 piezas). Una vez que los alambres estén cortados y enderezados se procederá a diseñar nuestra celda unitaria, se procederá a construir los modelos cristalinos conforme lo indica las figuras adjuntas.

b) Cúbico centrada en el cuerpo (BCC).

Figura 1


c) Cúbico centrada en las caras (FCC).

Figura 2

d) Hexagonal compacto: (HC).

Figura 3

e) En cada uno de los modelos cristalográficos construidos se analizaran los parámetros de red explicando su comportamiento y sus propiedades mecánicas.

6. Cuestionario: a) Indique cual es el factor de empaquetamiento para cada modelo construido. b) Indique cual es el número de coordinación para cada modelo construido. c) Indique los parámetros de red de los modelos construidos. d) indique la relación entre el radio atómico y la arista del cubo Lara los modelos

FCC y BCC. e) Analice la diferencia de las propiedades mecánicas en los casos de que la

estructura sea BCC y FCC, indique su diferencia mecánica. f) ¿La densidad de existente entre los diferentes modelos construidos de que

manera influyen en los procesos de laminación de los aceros? g) ¿Cómo podría usted incluir un elemento aleante en la celda elemental?


7. Bibliografía.

• VERHOEVEN, John, D. Fundamentos de Metalurgia Física. Ed. Limusa. 1987 • SANDS, Donald. Introducción a la Cristalografía. Ed. Reverté S.A. • SMITH, William F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed.

Mc Graw Hill. 1993 • BRICEÑO, Carlos Omar. Química. Ed. Educativa • PULIDO ARENAS, Helena. Conferencias de Química I. "El Estado Sólido y

Propiedades de los Materiales". Universidad Industrial de Santander. 1992 • Ciencia de materiales y sus aplicaciones. Shakelford, James. Editorial McGraw-

Hill. • Introducción a la Metalurgia Física . S. Avner • Mechanical Metallurgy G.E. Dieter • Metalografia de A.P. Guliaev • Schaffer, Saxena, Antolovich, Sanders, and Warner (1999). The Science and

Design of Engineering Materials (Second Edition edición). New York: WCB/McGraw-Hill. pp. 81–88.

• Callister, W. (2002). Materials Science and Engineering (Sixth Edition edición). San Francisco: John Wiley and Sons. pp. 105–114.


8. Anexos:

a) Tipos de estructuras cristalinas:

Cristalino Amorfo

b) Factor de empaquetamiento:

Es la fracción de volumen en una celda unidad que esta ocupada por átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la unidad. Para propósitos prácticos, el FEA de una celda unidad es determinado asumiendo que los átomos son esferas rígidas. Para cristales de un componente (aquellos que contienen un único tipo de átomo), el FEA se representa matemáticamente por

donde Nátomos es el numero de átomos en la celda unidad, Vátomo es el volumen de un átomo, y Vcelda unidad es el volumen ocupado por la celda unidad. Matemáticamente puede ser probado que para estructuras de un componente, el arreglo más denso de átomos tiene un FEA alrededor de 0.74. En realidad, este número puede ser mayor debido a factores intermoleculares específicos. Para estructuras de múltiples componentes, el FEA puede exceder el 0.74.

Ejemplo 1

Estructura BCC

Para la estructura cúbica centrada en el cuerpo, contiene dos átomos: un octavo (1/8) de átomo en cada esquina del cubo y un átomo en el centro. Dado que el volumen de cada átomo ubicado en las esquinas es compartido con las celdas adyacentes, cada celda BCC contiene dos átomos.

Cada átomo en las esquinas toca el átomo central. Una línea que sea dibujada desde una esquina del cubo a través del centro hacia la otra esquina pasa a lo largo de 4r,


donde r es el radio de un átomo. Por geometría, la longitud de la diagonal es a√3. Por lo tanto, la longitud de cada lado de la estructura BCC puede ser relacionada al radio de cada átomo mediante

Conociendo esto y la formula para el volumen de una esfera((4 / 3)pi r3), es posible calcular el FEA de la siguiente manera:

Ejemplo 2

Para la estructura hexagonal la derivación es similar. La longitud de un lado del hexágono será denotada por a mientras que la altura del hexágono se denotara como c. Entonces:

Hexagonal Compacto (HC)

Arreglo hexagonal tridimensional. a = 2r

Entonces es posible calcular el FEA como sigue:


c) Definiciones de densidad:

Densidad volumétrica. Relación entre la masa de un cuerpo con respecto a su volumen. Basados en una celda unitaria, la densidad de un material puede ser hallada como:

Densidad Planar. Relación entre el número de átomos completos contenidos en un plano y el área del plano.

Densidad Lineal. Relación entre el numero de átomos completos contenidos en una cierta dirección y la longitud de la dirección.


Tabla 1. Estructuras cristalinas de elementos metálicos a 25ºC y 1atm

Estructura cristalina Elemento Hexagonal compacta Be, Cd, Co, Mg, Ti, Zn

Cúbica compacta Ag, Al, Au, Ca, Cu, Ni, Pb, Pt Cúbica centrada en el cuerpo Ba, Cr, Fe, W, alcalinos

Cúbica-primitiva Po

Tabla 2. La variación del radio con el nº de coordinación

nº Coordinación Radio relativo 12 1 8 0.97 6 0.96 4 0.88

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