Estructura y Propiedades de Los Metales

INGENIERÍA DE SOLDADURAINGENIERÍA DE SOLDADURA

Julio A. Acosta Sullcahuamán

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18/05/2006 jaasullcahuamán 2

ESTRUCCTURA Y PROPIEDADES ESTRUCCTURA Y PROPIEDADES DE LOS METALESDE LOS METALES

1. INTRODUCCIÓN

2. ESTRUCTURA CRISTALINA

3. DEFORMACIÓN PLÁSTICA

4. RESISTENCIA DE LOS METALES

5. DEFECTOS CRISTALINOS

6. RESISTENCIA REAL DE LOS METALES

7. MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO>><<


1. 1. IntroducciónIntroducción

Ciencia de los materialesDisciplina científica investigaciónConocimiento básico de la estructura, propiedades y procesamiento de los materiales

Ingeniería de materialesDisciplina de la ingeniería aplicaciónConocimiento de los materiales Convertir los materiales en productos necesarios para el bienestar de la sociedad.

La Ciencia e ingeniería de los materiales combina la ciencia de los materiales y la ingeniería de materiales

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18/05/2006 jaasullcahuamán 4ÍNDICEÍNDICE >><<

11. . IntroducciónIntroducción








CMC Exhaust Mixer Nozzle Ceramic Composite Brake Rotors

Immersion Tubes for Molten AluminumHolding Furnaces.

Turbine Engine Afterburner

High temprerature (to 3200°) High specific strength Excellent environmental durability Low weight Low porosity Exellent toughness Tailorable thermal-mechanical properties

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todo puede convertirse en: … más ligero, … más resistente… … para mucho más tiempo



PMC y MMCs han sido desarrollados para aplicaciones aeroespaciales. Estos materiales compuestos poseen una elevada resistencia mecánica y rigidez así como un coeficiente de expansión térmica casi nulo.

PMC (grafito/epoxy) ha sido empleado en la fabricación de elementos de apoyo, paneles, antenas, antenas parabólicas, reflectores.

MMCs poseen una elevada resistencia y conductividad térmica, y alta tigidez y resistencia específica.

The P100/6061 Al usado en el telescopio espacial Hubble

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“Una civilización es a la vez desarrollada y limitada por los materiales que dispone”

George Paget Thomson



Los metales han sido siempre elementos fundamentales en el desarrollo de la humanidad...¿Cómo se fabricarían: automóviles, trenes, aviones, barcos, tractores, bicicletas, ..., etc. sin el uso de los metales?Es obvia esta dependencia en las plantas industriales, sea mecánica, química, eléctrica, nuclear o de cualquier otro tipo.También , es evidente la función clave que desempeñan en los elementos de nuestros propios hogares.

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Instalaciones sanitariasLuz eléctrica y alumbradoEstufas eléctricasRefrigeradoresLavadoras y secadoras

HornosRadio y televisiónMarcos de aluminio para ventanasSistemas de aire acondicionado.etc.



En alguna etapa de la fabricación de estos artículos, los metales cumplen un papel importante de modo que sería muy difícil y, frecuentemente imposible, producirlos sin el uso de metales.Desde luego, además de los metales, otros materiales tienen funciones claves en la manufactura de muchos artículos en nuestra moderna tecnología.

El ingeniero selecciona los materiales que tienen las propiedades físicas deseadas y que son las más económicas.

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Existen esencialmente 3 propiedades físicas principales de los metales que explican su papel clave en el desarrollo humano:

1. Formabilidad. Sólo aproximadamente el 20% de los metales se usa directamente en su forma de colada, casi todos son mecánicamente formados.

2. Resistencia sin fragilidad (tenacidad). Por ejemplo, el vidrio es muy resistente (σF del vidrio es aprox. 7σF de las mejores aleaciones de Al ) y a la vez extremadamente frágil, por lo que uno nunca soñaría en diseñar un ala de avión hecha de vidrio.

3. Propiedades eléctricas y magnéticas. Baja resistividad eléctrica y magnetización de los metales ferrosos.

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Relación estructura - propiedades – procesamiento - aplicación

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La metalurgia física se relaciona más con el efecto del arreglo atómico y la micro estructura del metal que con sus propiedades físicas. Se pueden resumir estas relaciones en la siguiente tabla:

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PROPIEDAD FÍSICA INFLUENCIA DEL ARREGLO ATÓMICO

INFLUENCIA DE LA MICROESTRUCTURA

Mecánica (resistencia, ductilidad, fragilidad, etc.) muy fuerte muy fuerte

Eléctrica y térmica (resistividad, magnetización, conductividad, etc.)

poca ligera a fuerte

Química (resistencia a la corrosión, potencial catalítico, etc.)

poca ligera a moderada





Microestructura de aceros: blando (izq.) y muy duro (der.)



Como se puede observar en la tabla:si se controla el arreglo atómico y la micro estructura se pueden controlar todas las propiedades físicas del metal, pero particularmente las propiedades mecánicas.

Por tanto, intentaremos constantemente orientar nuestro estudio hacia el control de las propiedades mecánicas de los metales y sus aplicaciones.El control del arreglo atómico y la microestructura se realiza por medio de procesos tales como el colado, conformado y tratamiento térmico.Una de las metas de este tópico es ofrecer las bases teóricas que permitan comprender cómo y por qué dichos procesos controlan el arreglo atómico y la micro estructura en la forma que lo hacen.

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Materiales cerámicosMateriales que exhiben enlaces iónicos o covalentes o ambosCompuestos de elementos metálicos y no metálicos de altas temperaturas de fusiónDuros y quebradizosBajas conductividades eléctricas y térmicasEjm: productos de arcilla, porcelana, vidrio y óxidos de aluminio

Materiales poliméricosMateriales que presentan primordialmente enlaces covalentes. También son importantes las fuerzas de enlace secundarias(enlaces de Van der Waals).Constan de cadenas largas formadas por elementos de bajo peso atómico (C, H, O y N)Bajo punto de fusiónBaja resistencia mecánica y bajas conductividades eléctricasEjm: madera, plásticos, polietileno, policloruro de vinilo

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Materiales metálicosMateriales que se caracterizan por tener enlaces metálicos.Enlace metálico altas conductividades térmicas y eléctricasBuena ductilidad, resistencia mecánica, tenacidadEjemplo: magnesio, fierro, oro, plata, aluminio, acero, etc. Una característica común a los elementos metálicos es que tienen solamente uno, dos o tres electrones en la capa externa, estos se enlazan en forma relativamente libre al núcleo. Así por ejemplo, cuando colocamos juntos un número de átomos de aluminio (número atómico = 13), en un bloque de aluminio, los electrones exteriores abandonan los átomos individuales y pasan a formar un "gas de electrones" común. Estos electrones se desplazan continuamente dentro del metal y no pertenecen a un átomo determinado, sino al conjunto de átomos.

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Enlace metálicoEnlace en el cual los átomos del metal ceden sus electrones a un gas de electrones y asumen un ordenamiento regular.

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gas de electrones

átomo de aluminio

átomo de aluminio

Ejemplo:Al (z=13)



Por lo tanto, los átomos se conviertes en iones de Al +3 . Estos se repelen entre sí, pero permanecen en el bloque gracias a la atracción entre los electrones negativos y los ionespositivos.Este modelo nos ayuda a entender las propiedades de los metales. Por ejemplo, el modelo explica la alta conductividad eléctrica de los metales. Si aplicamos un voltaje a través del cristal, los electrones en el gas de electrones (que están enlazados débilmente) se moverán con facilidad, produciendo una corriente.También se puede entender; la ductilidad de los metales o capacidad para deformarse sin fractura; la conductividad térmica; la reflectividad a la luz (lustre metálico); su forma cristalográfica en estado sólido, etc

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Contribución relativa de los diferentes tipos de enlace a cada uno de los materiales para ingeniería (tres tipos estructurales y los semiconductores)

Resumen



Materiales cristalinos y amorfos

a) sílice cristalina y b) vidrio de sílice

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MetalesCu, Al, Au, Agetc.



2. Estructura cristalina 2. Estructura cristalina

Estructura cristalina material cristalinoLos átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicasExiste un orden de largo alcance los átomos se sitúan según un patrón tridimensional repetitivoLos átomos no permanecen fijos en sus posiciones sino que oscilan alrededor de puntos fijos equilibrio dinámicoLa red tridimensional de líneas imaginarias que conecta los centros de los átomos se llama red espacialLa unidad más pequeña que tiene la simetría de todo el cristal se llama celda unitaria



celda unitaria

puntos reticularesred espacial

celda unitariapatrón más pequeño de átomos que se repite en todas direcciones del espacio es submicroscópicalas celdas unitarias están dispuestas en forma ordenada en los sólidos cristalinos estructuración regular de átomos que se mantiene a gran escala


posiciones relativas de los átomos modelo de esfera dura


• Todos los metales, muchos materiales cerámicos y ciertos polímeros, poseen estructura cristalina.

• La estructura cristalina de un material se define según el tamaño, la forma y el ordenamiento atómico dentro de la red espacial.

• El análisis de una red espacial se realiza estudiando su celda unitaria, y no toda la red.


Sistemas cristalinosExisten 14 tipos de redes cristalinas clasificados en 7sistemas cristalinosLos metales tienen estructuras particularmente sencillasDe las 14 retículas de Bravais, la mayoría de los metales se forman en una de las muy sencillas estructuras siguientes:

cúbica centrada en el cuerpo ( cccu )cúbica centrada en las caras ( ccca )hexagonal compacta ( hc )tetragonal

Muchos metales existen en más de una estructura cristalina, dependiendo de la temperatura, pero en la mayoría de los casos, las transiciones se dan entre estas 4 estructuras cristalinas. A esta propiedad, en tanto que sea reversible, se denomina ALOTROPÍA

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Transformación alotrópica del FeÍNDICEÍNDICE >><<


912°C


Existen 14 tipos de redes cristalinas, clasificados en 7 sistemas cristalinos

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Los tres tipos principales de estructuras en que pueden cristalizar los elementos metálicos

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Estudio de las principales redescúbica centrada en el cuerpo ( cccu )cúbica centrada en las caras ( ccca )hexagonal compacta ( hc )

Para cada caso determinar:parámetros de redradio atómico ( ra ) = f [ parámetros de red ]número de átomos por celda (n)número de coordinación (nc): número de átomos vecinos más próximos y que equidistan de un átomofactor de empaquetamiento atómico (fea):

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celdaladevolumenátomosdevolumenfea =


Red cúbica centrada en el cuerpo ( cccu )

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parámetro de red = ara = n =nc = fea =



parámetro de red = ara = n =nc = fea =

Red cúbica centrada en las caras ( ccca )


Red hexagonal compacta ( hc )

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parámetros de red = a y cra = n =nc = fea =



Estructura n ra = f (a) nc fea Metales típicos

cs 1 r = a / 2 6 0,52 Ningunocccu 2 r = a√3 / 4 8 0,68 Fe-α, Fe-δ, Ti, W, Mo.ccca 4 r = a√2 / 4 12 0,74 Fe-γ, Cu, Al, Au, Ag, Pb.hc 6* r = a / 2 12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr.


Densidad linealNúmero de átomos que tienen sus centros localizados en una línea de dirección dada por unidad de longitud

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]hkl[

]hkl[]hkl[ longitud

átomosnd =

)hkl(

)hkl()hkl( área

átomosnd =

Densidad planarNúmero de átomos que tienen sus centros localizados en un área dada sobre un plano por unidad de área

En estos cálculos de la densidad, una de las reglas básicas es que un plano o una línea debe pasar a través del centro de un átomo o no se cuenta el átomo en los cálculos


Densidad teóricaMasa de una celda unitaria entre el volumen de dicha celda

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unitariacelda

unitariaceldat volumen

masa=δ

Ejemplo: Calcular para el Cudensidad lineal [110]densidad planar (111)densidad teórica


3. Deformación plástica 3. 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 monocristalesLuego deformación de policristales

DeformaciónDeformación elástica completamente recuperable al eliminarse el esfuerzoDeformación plástica no recuperable al eliminarse el esfuerzo



Desplazamiento atómico producido por un esfuerzo cortante τ :

εσ E= γτ 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

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

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Sistemas de deslizamiento ccca

Planos {111}Direcciones <110>



Sistemas de deslizamiento cccu



Sistemas de deslizamientohc


Deslizamiento ccca

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4. Resistencia de los metales 4. Resistencia de los metales

Esfuerzo cortante resuelto (factor de Schmid)Supóngase un monocristalcilíndrico de un metal ccca

Tensión bajo una fuerza FDeslizamiento

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 λ con el eje de tensión en el plano cuya normal forma un ángulo φ con dicho eje?

AcosAe =φ

2a4

A π=

ba4

Aeπ

=

acosb =φ

λcosF

4. Resistencia de los metales4. Resistencia de los metales


Esfuerzo cortante resuelto (τr )

)cos(cosAF

r φλτ =e

r AcosF λτ = )FS(r στ =

σ : 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 críticoAl esfuerzo cortante resuelto requerido para iniciar el deslizamiento sobre un sistema de deslizamiento dado se le llamaa 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 teóricoEs 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 πτ =


¿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?



5. Defectos cristalinos 5. Defectos cristalinos

Una red cristalina ideal supone una dispocióntridimensional de repetición perfectaLos 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 puntuales5. Defectos cristalinos5. Defectos cristalinos

1. vacancia 4. átomo extraño intersticial

3. átomo extraño pequeño sustitucional

3. átomo extraño grande sustitucional


Dislocaciones de borde

5. Defectos cristalinos5. Defectos cristalinos






55. Defectos. Defectos

Dislocación de tornillo o helicoidal



Dislocaciones mixtas


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



66. Resistencia real de metales . Resistencia real de metales

Metales reales policristalinos


F´E

B

RP

F

O

66. Resistencia real de los metales. Resistencia real de los metales


Resistencia real f(densidad de dislocaciones)



Enmarañamiento de dislocaciones en límites de grano (TEM)



77. Mecanismos de endurecimiento . Mecanismos de endurecimiento

Recuerdese que:La deformación plástica se debe al movimiento de las dislocacionesLa 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 dislocacionesLímites de granoEstructuras cristalinas distorsionadas debido a átomos de impurezaPequeñas partículas dispersas en la estructura cristalina


Métodos de endurecimiento de los metales

7. Mecanismos de endurecimiento7. Mecanismos de endurecimiento

MÉTODO CARACTERÍSTICA QUE IMPIDE ELMOVIMIENTO DE DISLOCACIONES

Trabajo en frío Elevadas densidades de dislocaciones producenenmarañamientos

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

Fortalecimiento porsolución sólida

Impurezas intersticiales o substitucionalesdistorsionan la estructura cristalina

Endurecimiento porprecipitación

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

Fases múltiples Discontinuidades en los límites de fase de unaestructura cristalina

Templado y revenido Estructuras multifásicas de martensita y carburosprecipitados (Fe3C)


Trabajo en fríoProduce cambios en la microestructura y por tanto en las propiedades:

cambio en la forma de granoendurecimiento por deformación yun 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 modificadasconductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, etc.



Propiedades comportamiento a tracción


Resistencia a la tracciónCurvas de tracción



DuctilidadResistencia a la fluencia

Propiedades comportamiento a tracción


Recuperación recristalización crecimiento7. Mecanismos de endurecimiento7. Mecanismos de endurecimiento


T° recristalización

Trabajo en caliente

Trabajo en frío

+ recrista -lización



Afinamiento de granoEl tamaño, o el diámetro medio, de los granos de un metal policristalino afecta a las propiedades mecánicasEl 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


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