CMI115.2015_UNIDAD2_CLASE3.pptx

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TRANSFORMACIONES

ALOTRÓPICAS



Todos son carbono,

pero con diferentearreglo de átomos

carbino



ALOTROPIA O POLIMORFISMOCapacidad de un material de eistir en mas de una formacristalina en diferentes condiciones de temperatura !presi"n#• ALOTROPIA$ elementos puros• POLIMORFISMO$ compuestos o materiales en general

La diferencia en energ%a entre las estructurasalternati&as suele ser pe'ue(a#)ebido a esto, la estructura cristalina 'ueproporciona la energ%a m%nima a una temperaturapuede no ser la misma a otra temperatura#



-273°C 912°C 1394°C1539°C

δ HierroBCC

*ierrol%'uido

αγ



FORMAS CRISTALI+AS ALOTROPICASMETAL ESTRUCTURA CRISTALINA A

TEMPERATURA AMBIENTE

A OTRAS TMPRAT-RAS

Ca FCC .CC /0 1123C4

Co *CP FCC / 0 1523C4

*f *CP .CC / 0 6215 3C 4

Fe .CCFCC /765 8 6971 3C4

.CC /0 6971 3C4

Li .CC *CP /: ;6793C4+a .CC *CP /: ;5993C4

Tl *CP .CC / 05713C4

Ti *CP .CC / 0 <<93C40 3



PROPI)A)S

TRMICASTemer!"#r!$ Representa el ni&el de acti&idad t>rmica#

C!$or% Representa la energ%a t>rmica#

pansi"n t>rmica, fusi"n ! calor de fusi"n sonpropiedades t>rmicas por'ue la temperatura determina elni&el de energ%a de los átomos 'ue conduce a los cambios

en los materiales#Calor espec%fico ! la conducti&idad t>rmica sonpropiedades t>rmicas adicionales 'ue se relacionan con laacumulaci"n ! flu?o del calor en un material#



Comportamiento t>rmico de los materiales• -n átomo 'ue aumenta en energ%a

t>rmica ! empie@a a &ibrar se comportacomo si tu&iera un radio at"mico ma!or#Por lo tanto se incrementan la distanciapromedio entre los átomos ! lasdimensiones generales del material#

• l cambio l en dimensiones delmaterial por unidad de longitud estádado por el &oe'i&ie("e $i(e!$ )ee*!(+i,( "-rmi&! #

l coeficiente de epansi"n t>rmica está relacionado con losenlaces at"micos !a 'ue para 'ue los átomos se mue&an desus posiciones de e'uilibrio debe introducirse energ%a en elmaterial#



E

n e r g í a I A E

Espacio de equilibrio entre átomos

Espaciamiento después de que el calentamiento

incrementa la energía en ∆IAE

Espaciamiento después de que el calentamientoincrementa la energía en ∆IAE (a mayor separaciónse tiene mayor expansión térmica)

distancia E n e r g í a I A E

E n

l a c e d é b i l

E n l a c e f u

e r t e

)e acuerdo al gráfico energ%a; separaci"n, un po@o profundocausado por enlaces mu! fuertes, es caracter%stico de unmaterial con un ba?o coeficiente lineal de epansi"n#



Coeficiente lineal de epansi"n t>rmica

material

Coeficiente lineal de expansión térmica

(x 10 -6 por °C)

Al 25.0

Cu 16.6

e 12.0

!"lon 6#6 $0.0

%olietileno 100.0

Al2&' 6.

r&2 esta*ili+ado parcialmente 10.6

,lice fundido 0.55

%olietileno - '0 fi*ra de /idrio $



!""# $roo%s& 'ole a diision of *+omson ,earning Inc- *+omson,earning. is a trademar% used +erein under license-

Relaci"n entre elcoeficiente lineal deepansi"n t>rmica ! latemperatura de fusi"n

!""# $roo%s&'o le a diision of *+omson ,earning Inc- *+omson ,earning.

is a trademar% used+erein under license-

l coeficiente lineal de

epansi"n t>rmica del Bierrocambia abruptamente cuandoocurre la transformaci"nalotr"pica



CO+)-CTII)A) TRMICA

Representa el paso del calor a tra&>s de los s"lidos, >stosafectan el paso dependiendo de los estados cristalino oamorfo#Sus unidades son Dcal#cmE3C#s#cm5 o bien

D.T-#plgE3F#B#plg5

#

!""# $roo%s& 'ole a diision of *+omson ,earning Inc- *+omson ,earning. is a trademar% used +erein underlicense-



Calor espec%fico$ se define como la cantidad de energ%acalor%fica necesaria para incrementar la temperatura de unaunidad de masa del material en un grado#

Conducti&idad t>rmica$ capacidad de un material detransferir calor a tra&>s de ella misma, mediante latransferencia de energ%a t>rmica de mol>cula a mol>culaGnicamente por mo&imientos t>rmicos ! no ocurretransferencia de masa#

Tipo material Conductividad térmica !"#m#$

metales'obre #/"

0ierro fundido 1!

Acero inoxidable 23

cerámicos Al4mina !-"

5idrio 2-"

polímero ba%elita "-!#



Fundici"n, tratamiento t>rmico ! formado en caliente re'uierencalentamiento del materialH elcalor espec%fico determina la

cantidad de energ%a calor%ficanecesaria para ele&ar latemperatura al ni&el deseado#

IMPORTA+CIA ) LAS PROPI)A)STRMICAS + LA MA+-FACT-RA



n procesos en 'ue la energ%amecánica se con&ierte en calor, estageneraci"n de calor ele&a latemperatura de la pie@a de traba?o,

como en el caso del ma'uinado !formado en fr%o#

IMPORTA+CIA ) LAS PROPI)A)S TRMICAS+ LA MA+-FACT-RA



-na alta conducti&idad t>rmica delmetal de traba?o es indeseable enprocesos como la soldadura, !a 'ueel calor aplicado debe concentrarse

en el lugar de la uni"n para 'ue elmetal pueda fundirse#Por esta ra@"n, el cobre es dif%cilde soldar, el calor se conduce

rápidamente a tra&>s del materialde traba?o desde la fuente deenerg%a#

IMPORTA+CIA ) LAS PROPI)A)S TRMICAS+ LA MA+-FACT-RA



'67869*A7IE:*6 I;6*9<8I'6 = A:I;6*9<8I'6

ISOTROPIA$ capacidad del material para presentar

las mismas propiedades independientemente de laorientaci"n en 'ue sea medida#

A+ISOTROPIA$ caracter%stica del materialreferente a la &ariaci"n de sus propiedades en relaci"na la orientaci"n en la cual son medidas#



A+ISOTROPIA$



TT-RA$ orientaci"n preferida de granos/laminar o fibras4 'ue se obtiene tras un proceso

natural /madera4 o artificial /deformaci"n ofabricaci"n4



IRRE%&LARI'A'ES

'EL ARRE%LO

ATÓMICO



O.JTIOS)istinguir los materiales monocristalinos

de los policristalinos ! eplicar por'uetienen diferentes propiedades mecánicas#

Clasificar diferentes tipos deirregularidades cristalinas ! eplicar elpapel de los defectos sobre laspropiedades mecánicas ! el>ctricas de los

materiales



material Resistencia, K ! /psi4'u puro >/""

'u puro tama?o grueso de grano 2""""'u puro tama?o fino de grano 22"""

'u@#1 Bn 3#"""

'u@! $e 2C1"""

'u@Al 3""""

7icro@grano ("-C Dm) rano medio (!-1 Dm) rano grueso (/ Dm)



• tomos en posicionesreticulares ideales

Cristalperfecto

•

tomos &ibrando en susposiciones at"micas• isten posiciones no

ocupadas• tomos despla@ados de sus

posiciones at"micas ideales

Cristalreal



C3& C4,3A!&

rre7ularidad de la red en la cual una o mas de sus dimensiones

son del orden de un di8metro atómico

P&NT&ALES LINEALES S&PERFICIALES (OL&METRICOS

(ACANTES

ATOMOINTERSTICIAL

ATOMOS&STIT&CIONAL

'ISLOCACIONES S&PERFICIE

E)TERNA

S&PERFICIE%RANO

POROS

FIS&RAS

INCL&SIONES

IMP&RE*A+&IMICA

,OR'E

TORNILLOMACLAS

FALLASAPILAMIENTO



.E/ECT0S PUNTUALES• Son discontinuidades de la red 'ue in&olucran uno o &arios

átomos#

• Se generan por el mo&imiento de los átomos al ganarenerg%a por calentamiento, procesamiento, introducci"n

de impure@as o a tra&>s de las aleaciones#• Alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes,

distorsionando la red, dificultando el mo&imiento de lasdislocaciones ! contribu!endo al incremento de laresistencia mecánica

• Al aumentar la temperatura, aumentan las &ibracionest>rmicas ! el nGmero de &acantes#



ráfica t%pica de ArrBenius# La pendiente es igual a 8NER

La rapide@ del procesoaumenta eponencialmente conla temperatura

C es una constante independiente de la temperatura

*

2

9

F @'ln)ln(rapideG

e'rapideG9*

F@

==



ACANTE% sitio at"mico en el 'ue falta un átomoSe producen durante la solidificaci"n o por

reordenamiento at"mico+Gmero de &acantes en e'uilibrio$

acante

−= RT Qv

v expη η



+Gmero de &acantes en e'uilibrio$

%el)inenratemperatu*

H @mol

Ioule /-#2u

H @mol

calJ/C-2

gaseslosdeconstante9

mol

Ioule o

mol

cal )acantesde

molun producir paranecesariaenergía

cm porátomosdecantidad

cm por)acantesdecantidad

exp

#

#

=

=

=

=

=

−

=

v

v

v

v

Q

RT

Q

η

η

η η

−=%*

E expKK )

)



PRO.LMA$

Calcular el nGmero de &acantes por metro cGbico en

el cobre puro a < C# Considere 'ue la energ%a de⁰formaci"n de una &acancia es 6# e# Además ladensidad ! masa at"mica son <#7Q gEcm9 ! Q9#1gEmol, respecti&amente#

−

= %*

E

expKK

)

)

H 22!#!C#/1"*

e5&H 2"x/-3! %

e5&atomo2-"E

LK LK

1@

)

)

=+==

===



#

!#

#

cm2enátomos

g @@@@@@

g @@@@@@átomos2"x3-"!#

Mmoldeconceptoaplicando

asumiendocm

átomosden4mero LK

=

=

=

η

η



#

#

##

#

1

m

acantesátomossitios K

m2

m2"" x

cm

acantesátomossitios K

)22!#)(2"x(/-3!

2-"exp) (K

%*E expKK

Menemosecuación tlaendosustituyen

=

=

−=

−=

−



.e'e&"o I("er+"i&i!$

• s un átomo de un cristal 'ue se Ba despla@ado a un lugar

intersticial• I+TRSTICIO$ espacio 'ue Ba! entre los átomos de la

red• Los mas importantes son C, +, O /todos con radio menor a

#< 4

+ierro

carbono



Locali@aci"n de sitios intersticiales en FCC



I+TRSTICIOS

CELDA

Intersticios

tetraédric

os

Intersticios

octaédrico

s

BCC 12 6

FCC 8 4

HCP 12 6



)efecto sustitucional

• Se crea cuando se reempla@a un átomo por otrode un tipo distinto#• Crea una distorsi"n en la red, dependiendo del

radio at"mico del átomo sustitucional#



La presencia de defectos puntuales C"moafecta las caracter%sticas de la celda

unitaria+Gmero de átomos por celda unitaria

nalessustitucioátomosceldaátomos átomos : +=°

alesintersticiátomosceldaátomos átomos : +=°



La presencia de defectos puntuales C"moafecta las caracter%sticas de la celda unitaria

Factor de empa'uetamiento at"mico

)ensidad

( ) ( )unitariaceldaladeolumenAogadro)(:atómicamasa-átomos&c-udecantidadN

°=

( ) ( )unitariaceldaladeolumen

átomosdeolumen-átomos&c-udecantidadA8O=

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