Upload
abel
View
153
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
1/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
ESTRUCTURA DE LOSSLIDOS CRISTALINOS Y
AMORFOS
Estructura submicroscpica de substancias metlicas
En los metales opacos y algunos No metales. Se ha determinado estaestructura mediante la Difraccin de rayos X y luego se ha extendidoa otras substancias diferentes
Los metales y no metales se componen de unidades bsicas, conocidascomo clulas o celdas unitarias. La celda unitaria es la subdivisinmas pequea que se estudia en un cristal
Tiene una estructuracin tridimensional de los tomos, que por lo generalpresenta una disposicin o arreglo ordenado en los slidos cristalinos
Si el arreglo de los tomos en un slido no es ordenada, sino al azar. Sedice que la substancia es amorfa o vtrea (no cristalina)
Ejemplo una copa de cristal y otra de vidrio
El tipo de arreglo (0rdenado o al azar) depende de la temperatura y deltiempo de formacin.
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
2/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
ArregloAtmico MolecularEl arreglo de tomos e iones (microestructura ) desempea un papel
importante en las propiedades de un material especial : Agua.
SLIDO: Enlazados LIQUIDO: Semi-enlazados GASEOSO: Aislados
En los distintos estados de la materia se pueden encontrar
tres clases de arreglos atmicos:
Sin orden
Orden de corto alcance
Orden de largo alcance
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
3/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Sin orden: Los tomos molculas carecen de una arreglo ordenado,
por ejemplo los gases se distribuyen aleatoriamente en el espaciodisponible
Argn
Ordenamiento de corto alcance: el arreglo espacial de los tomos se
extiende slo a los vecinos ms cercanos.
Cada molcula de agua en fase vapor tiene un orden de corto alcance debido a
los enlaces covalentes entre los tomos de hidrgeno y oxgeno. Sin embargo,
las molculas de agua no tienen una organizacin especial entre s.
Ejemplo: agua en estado vapor, vidrios cermicos (slice), polmeros
Slice amorfoVapor de agua
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
4/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Ordenamiento de largo alcance: El arreglo atmico de largo alcance (LRO)
abarca escalas de longitud mucho mayores de 100 nanmetros. Los tomos olos iones en estos materiales forman un patrn regular y repetitivo, semejante
a una red en tres dimensiones.
Grafeno (compuesto decarbono densamenteempaquetado)
Por tanto: El arreglo atmico difiere de un
material a otro en forma y dimensin,
dependiendo del tamao de los tomos y del tipo
de enlace entre ellos.
En el caso de los METALES, cuando estos estn
en estado slido (fundido y luego fro), sus
tomos se alinean de manera regular en forma
de mallas tridimensionales.Estas mallas pueden ser identificadas fcilmente
por sus propiedades qumicas, fsicas o por medio
de difraccin de rayos X
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
5/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Slidos
Microestructura
Orden de largo alcance (CRISTAL): al solidificar el
material los tomos se sitan segn un patrn
tridimensional repetitivo, en el cual cada tomoest enlazado con su vecino ms prximo ( >100
nm)
1 nm. =10E-9 m =10E-7 cm.
Sin orden (AMORFO): carecen de un ordenamiento
atmico sistemtico y regular a distancias atmicas
relativamente grandes.
Diagrama molecular del vidrio(SiO2) en slido amorfo (no
cristalino)
Diagrama molecular del cuarzo(SiO2) en red cristalina
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
6/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Cristal Vidrio
Cristal: conjunto de tomos ordenados segn un arreglo peridico entres dimensiones
Modelo de las esferas rgidas: se consideran los tomos (o iones)como esferas slidas con dimetros muy bien definidos. Las esferas
representan tomos macizos en contacto
Estructura Cristalina
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
7/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Red cristalina: disposicin tridimensional de puntos coincidentes con las
posiciones de los tomos (o centro de las esferas). Los tomos estnordenados en un patrn peridico, de tal modo que los alrededores de cada
punto de la red son idnticos
Un slido cristalino es un conjunto
de tomos estticos que ocupanuna posicin determinada
Unidad cbica de repeticin en la red (subdivisin de una red que sigue
conservando las caractersticas generales de toda la red) . Al apilar celdas
unitarias idnticas se puede construir toda la red.
Ejemplo: Estructura cristalina cbica de cara centrada:
(a) representacin de la celda unidad mediante esferas rgidas
(b) celda unidad representada mediante esferas reducidas
CELDA UNITARIA:
(a) (b)
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
8/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Representacin de la red y de la celda unitaria del sistema
CBICO CENTRADO EN EL CUERPO
Cbica centradaen sus caras
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
9/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Los parmetros de red que describen el tamao y la forma de la
celda unitaria, incluyen las dimensiones de las aristas de la celdaunitaria y los ngulos entre estas.
En funcin de los parmetros de la celda unitaria: longitudes de sus lados y
ngulos que forman, se distinguen 7 sistemas cristalinos que definen la forma
geomtrica de la red:
Las unidades de la longitud se expresan en nanmetros (nm) o en angstrom(A)donde:
1 nanmetro (nm) =10-9 m =10-7 cm =10 A1 angstrom(A) =0.1 nm =10-10m =10-8 cm
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
10/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Variaciones:
Se reconocen 14Redes de Bravais
7 Sistemas
cristalinos
Estructuras cristalinas de elementos metlicos a 25C y 1 atm
Estructura cristalina Elemento
Hexagonal compacta Be, Cd, Co, Mg, Ti, Zn
Cbica compacta Ag, Al, Au, Ca, Cu, Ni, Pb, Pt
Cbica centrada en el cuerpo Ba, Cr, Fe, W, alcalinos
Cbica-primitiva Po
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
11/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Radio atmico versus Parmetro de red
En la celda unitaria, las direcciones a lo largo de las cuales los
tomos estn en contacto continuo son direcciones deempaquetamiento compacto.
En las estructuras simples, se utiliza estas direcciones para
calcular la relacin entre el tamao aparente del tomo y el
tamao de la celda unitaria.
Al determinar geomtricamente la longitud de la direccin con
base en los parmetros de red, y a continuacin incluyendo elnmero de radios atmicos a lo largo de esa direccin, se puede
determinar la relacin que se desee.
Cbico s imple (CS)
Los tomos se tocan a lo largo de la arista del cubo
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
12/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Cbico centrado en el cuerpo (BCC)
(hierro puro)Los tomos se tocan a lo largo de la diagonal del cuerpo
Cbico centrada en las caras (FCC) (hierro puro)
Los tomos entran en contacto a lo largo de la diagonal de la caradel cubo
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
13/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Densidad
La densidad terica de un material se puede calcular con laspropiedades de su estructura cristalina
( ) ( )( ) ( )AvogadroNunitariaceldaladevolumen
atmicamasaceldaportomosdecantidadDensidad
=
molatomosmolportomosdenumeroAvogadroN /10023.623
==
El hierro puro se presenta en estructura cristalina BCC y FCC enel rango de temperaturas que va desde temperatura ambiente
hasta la temperatura de fusin a 1.539 C.
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
14/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO
Se ha descrito el slido cristalino mediante la aproximacin de un cristal ideal
Perfeccin en materiales
Pureza en su composicin
Pureza estructural
PERO.
IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO(ver con detalle en separata de Intranet y en
Libro de Ciencia de Materiales para Ingeniera- Carl A. Keyser- )
Las imperfecciones juegan un papel fundamental en numerosas
propiedades del material: mecnicas, elctricas, se encuentran
dentro de la zona de ordenamiento de largo alcance (grano)
Se introducen intencionalmente para beneficiar determinadas
propiedades
Ejemplos: - Carbono en Fe para mejorar dureza
- Cu (cobre) en Ag (Plata) para mejorar
propiedades mecnicas
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
15/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Defectos puntuales:
Defecto de vacancia (a)
Defecto intersticial (b)
Defecto sustitucional (c, d)
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
16/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Efectos de Vacancias
Se produce cuando falta un tomo en la estructura cristalina
Todos los materiales cristalinos tienen defectos de vacancia.
Las vacancias pueden producirse durante la solidificacin como
resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los
cristales. (largo en e tiempo)
En los metales se pueden introducir vacancias durante la deformacin
plstica, por enfriamiento rpido desde altas a bajas temperaturas,
o como consecuencia de daos por radiacin.
Defectos Intersticiales
Se produce cuando se inserta un tomo en una estructura cristalina
en una posicin normalmente desocupada.
Los tomos intersticiales son de mayor tamao que los sitios
intersticiales, por lo cual la regin cristalina vecina esta comprimida y
distorsionada.
El aumento de sitios intersticiales ocupados en la red cristalina,
produce un aumento de la resistencia de los materiales metlicos
La cantidad de tomos intersticiales en la estructura es
aproximadamente constante (an cuando cambie la temperatura)
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
17/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Defecto Sustituc ional (o de sustitucin)
Se introduce un defecto sustitucional cuando un tomo es sustituidopor otro tomo de distinta naturaleza.
Un tomo sustitucional ocupa un sitio normal en la red.
Estos tomos cuando son de mayor tamao, causa una reduccin de
los espacios interatmicos vecinos.
Cuando son de menor tamao, se produce una mayor distancia
interatmica entre los tomos vecinos
Los defectos sustitucionales se pueden introducir en forma de
impurezas o adicionar de manera deliberada en la aleacin.
Una vez introducidos, la cantidad de defectos no varia con la
temperatura.
tomos de soluto en posiciones sustitucionale intersticial
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
18/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Defecto puntual auto
intersticial
Se crea cuando un
tomo idntico a los de
la red ocupa una
posicin intersticial.
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
19/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
IMPERFECCIONES LINEALES: DISLOCACIONES
DISLOCACIN.- Imperfeccin lineal alrededor de la cual los tomos del cristalestn desalineados
DE ARISTA (borde, cua, lnea)Semiplano de tomos cuya arista (borde) termina dentro del cristal.
HELICOIDALApilacin de planos en espiral a lo largo de la lnea de dislocacin.
MIXTAS De carcter doble: arista y helicoidal
DISLOCACIN DE ARISTA (BORDE-DE CUA)
Una dislocacin de borde se crea en un cristal por la interseccin de un
semiplano extra de tomos
La dislocacin de borde presenta una regin de compresin donde se
encuentra el semiplano extra y una regin de traccin debajo del semiplano
extra de tomos.
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
20/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Cambios en las posiciones atmicas que acompaan al movimiento
de una dislocacin de borde (cua) a medida que sta se mueve en
respuesta a una tensin de cizalle (o corte) aplicada.
Desplazamiento de una dislocacin
Importancia de las dislocaciones
Es un mecanismo que explica la deformacin plstica de los metales, ya
que el esfuerzo aplicado causa el movimiento de las dislocaciones.
El deslizamiento proporciona ductilidad a los metales, de lo contrario stos
serian frgiles y no podran ser conformados (materiales cermicos, polmeros,
materiales inicos)
Se controlan las propiedades mecnicas de un metal o aleacin interfiriendo
el movimiento de las dislocaciones (un obstculo introducido en el cristal evita
que una dislocacin se deslice, a menos que se apliquen esfuerzos mayores,
por lo tanto aumenta la resistencia).
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
21/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
ateriales Cristalinos y Amorfos
Importancia de los defectos puntualesLos defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los tomos
circundantes, distorsionando la red a lo largo de cientos de
espaciamientos atmicos, a partir del defecto.
Una dislocacin que se mueva a travs de las cercanas de un
defecto puntual encuentra una red en la cual los tomos no estn en
sus posiciones de equilibrio.
Esta alteracin requiere que se aplique un esfuerzo mayor para que
la dislocacin venza al defecto, incrementando as la resistencia y
dureza del material
Defectos de superfic ie
Son lmites o planos que separan un material en regiones, cada
regin tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientacin
Las dimensiones exteriores del material representan superficies en
donde termina el cristal. Cada tomo en la superficie ya no tiene el
nmero adecuado de coordinacin y se interrumpe el enlazamiento
atmico
El lmite de grano, que es la superficie que separa los granos
individuales, es una zona angosta donde los tomos no tienen la
distancia correcta entre s; existen zonas de compresin y otras de
traccin (flexin).
7/16/2019 3.Materiales Cristalinos y Amorfos
22/22
ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)
Importancia de los defectos
En los materiales metlicos, los defectos como las dislocaciones,defectos puntuales y lmites de grano sirven como obstculo a las
dislocaciones.
Es posible controlar la resistencia de un material metlico controlandola cantidad y el tipo de imperfeccin
Endurecimiento por deformacin
Endurecimiento por solucin slida
Endurecimiento por tamao de grano