02 – Estructura cristalina

Año 2017

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Contenido

• Orden cristalino � estructura cristalina• Sistemas cristalinos• Propiedades del cristal metálico• Grano y borde de grano

– Rotura intercristalina– Rotura transcristalina– Temperatura de equicohesión

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Contenido

• Aleación• Solución sólida: intersticial y sustitucional• Fase• Compuesto intermetálico

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CRISTAL METALICO

• Cristalino: estado de un material sólido caracterizado por un arreglo tridimensional de átomos, iones o moléculas que se repite periódicamente en el espacio.

– Si el sólido no es cristalino es amorfo

• Estructura cristalina: para materiales cristalinos, es la forma en que los átomos o iones están dispuestos en el espacio. Se define por una celda unitaria y la disposición de átomos o iones en esa celda.

• Sistema cristalino: es una representación geométrica mediante la cual se puede definir una estructura cristalina. Se caracterizan por la relación que hay entre la longitud de sus ejes a, b y c y sus ángulos internos α, β, γ. Existen 7 sistemas cristalinos.

¿Cuál es sistema cristalino y cuál estructura cristalina?

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Si no es cristalino es amorfo

Ordenado � cristalinocuarzo, cristobalita, tridimita

Desordenado � amorfo

tetraedros de Si-O

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CRISTAL METALICO

Sistema cristalino Variante Ejes Ángulos

Cúbico simplecentrado en el cuerpo

centrado en las caras

a = b = c α = β = γ = 90°

Tetragonal simplecentrado en el cuerpo

a = b ≠ c α = β = γ = 90°

Ortorrómbico simplecentrado en el cuerpocentrado en las caras

centrado en las bases

a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90°

Romboédrico simple a = b = c α = β = γ ≠ 90°

Hexagonal simplecompacto

a = b ≠ c α = β = 90°

γ = 120°

Monoclínico simplecentrada en las bases

a ≠ b ≠ c α = β = 90°γ ≠ 90°

Triclínico simple a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90°

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CRISTAL METALICO

..................................

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CRISTAL METALICO

..................................

..................................

..................................

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Cúbico centrado en el cuerpo – BCCFe-δ, Fe-α, Mo, Ti-β, Zr-β, W, Cr

Cúbico centrado en las caras – FCCCu, Fe-γ, Al, Ag, Au, Ni

Hexagonal Compacto – HCPTi-α, Zr-α, Zn, Mg, Co, Fe-ε

CRISTAL METALICO

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Alotropía

• Algunos metales y no metales pueden tener más de una estructura cristalina �polimorfismo

• Si este fenómeno ocurre en un sólido elemental � alotropía (3.6 de Callister)

• Ejemplo: carbono, hierro, titanio y circonio

Alotropía del Fe

Bhadeshia y Honeycombe; Steels – Microstructure and properties; Elsevier; 2006

Ferrita

Austenita

Ferrita

Parámetros de red

(Cahn & Haasen, Vol 2, 1996)

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• El ordenamiento interno de los átomos es la característica esencial del estado cristalino � si no amorfo

• El tipo de estructura cristalina determina muchas de las características físicas y químicas de los metales, como la conductividad térmica, la solubilidad, la resistencia mecánica, el coeficiente de dilatación.

• A raíz de la estructura cristalográfica, los metales presentan distintas propiedades en las diferentes direcciones dentro del cristal. Los metales son anisotrópicos por sus propiedades vectoriales.

• La conductividad eléctrica es debida a la nube electrónica que rodea a los retículos formado por iones positivos

ESTRUCTURA CRISTALINA Y PROPIEDADES

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• La ductilidad varía con la estructura cristalina, los metales puros con estructura cúbica centrada en las caras presentan los mayores valores de ductilidad (ejemplos Cu, Al, Au, Ag).

• Si la estructura es más compleja (+ aleantes + fases) la ductilidad disminuye, aumenta la dureza y la resistencia a los esfuerzos mecánicos

• Cuándo los metales puros son aleados con otros elementos químicos la ductilidad disminuye y la resistencia aumenta

ESTRUCTURA CRISTALINA Y PROPIEDADES

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• Utilice el sitio www.matweb.com para obtener los valores de resistencia mecánica de los siguientes elementos:

• Zr (HCP) � 330 MPa• Ag (FCC) � 140 MPa• Mo (BCC) � 350 MPa• Fe (BCC) �• Co (HCP) �• Ni (FCC) �• Al (FCC) �

ESTRUCTURA CRISTALINA Y PROPIEDADES

El Grano metálico

• Grano: un cristal individual en un material policristalino.

– La diferencia entre un cristal y otro puede darse su composición química, la estructura cristalina o la orientación espacial del cristal

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El Grano metálico

C % Mn % P % S % Si % Cr % Ni % Mo % Cu % Al % Fe %

0,060 0,19 0,008 0,008 0,02 0,020 0,020 0,002 0,007 0,036 ≅ 99.5618

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El Grano metálico

• Los materiales metálicos se presentan normalmente con estructuras policristalinas.

• La solidificación de un material comienza en distintos puntos del baño simultáneamente.

• Crece y se desarrolla hasta que choca con otra porción de material que solidifica.

• La porción que solidifica se llama “grano”.

• El grano esta rodeado por el “borde de grano”.

• El material que forma el grano es “homogéneo” y tiene “una única”composición química

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El Grano metálico

• El borde de grano:

– Es el lugar donde solidifican finalmente todas las impurezas y permanece en equilibrio inestable.

– Es el lugar donde cambian de dirección los planos cristalográficos.– Constituyen sitios que tienden a trabar los deslizamientos atómicos.– Los materiales con mucho borde de grano o grano fino son menos

deformables plásticamente.– Presentan mayor resistencia mecánica.– Se obtiene mayor tenacidad (resistencia al choque)

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El Grano metálico

Temperatura de equicohesión

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El Grano metálico

• Temperatura de equicohesión:

– El aumento de la resistencia debido al achicamiento del grano secumple hasta determinadas temperaturas.

– A altas temperaturas esta resistencia disminuye, y es cero a la temperatura de fusión.

– En el cristal que forma el grano hay una cierta cohesión que posibilita el ordenamiento.

– Al bajar la temperatura el grano y el borde de grano aumentan suresistencia.

– A la temperatura de equicohesión ambas resistencias son iguales.– Por encima, la resistencia del grano es mayor que la del borde – Por debajo, la resistencia del grano es menor que la del borde de

grano.– Arriba de la temperatura de equicohesión la fractura se produce por

los bordes de grano y se llama intercristalina o intergranular

– Por debajo de la temperatura de equicohesión la fractura se produce a través del grano y se llama transcristalina o transgranular

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El Grano metálico

Imagen SEM de la fractura mixta transgranular (clivaje) e intergranular de un acero al Cr-Ni(ASM Handbook, Vol 12, Edición 1992, Fig. 609)

31 µm

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Aleaciones

• Aleación: sustancia metálica compuesta por dos o más elementos. Ejemplo: acero, Fe + C

• Solución sólida: fase con estructura cristalina homogénea que contiene dos o más especies químicas. Hay dos tipos de soluciones sólidas: sustitucionales e insterticiales.

• Soluto: un componente de una solución sólida que se encuentra en baja concentración. El soluto esta disuelto en un solvente.

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Aleaciones

• Solución sólida:

– intersticial: el soluto se ubica en sitios intersticiales de la red cristalina � el tamaño del soluto es pequeño es relación al solvente

Por ejemplo: el C, H, O, N y B son solutos intersticiales del Fe

– sustitucional: el soluto ocupa lugares de la red cristalina que le corresponden a los átomos del solvente, es decir lo sustituye. Para que ocurra esto se debe cumplir:

• la diferencia relativa del tamaño de los átomos sea menor a 15%

• la estructura cristalina debe ser la misma• cuanto más amplia es la diferencia entre electronegatividades mejor• cuanto mayor sea la valencia del soluto más fácil será su disolución

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Aleaciones

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AleacionesElementos de aleación intersticiales en Fe

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Al ser más pequeños pueden ser elementos de aleación intersticiales del Fe¿Y el F, S y He?(Bhadeshia y Honeycombe; Steels – Microstructure and properties; Elsevier; 2006)

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Aleaciones

¿Qué sucede cuando no hay solución sólida?

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Aleaciones

• ¿Cuál de los siguientes elementos esperaría que sean solubles en Cu?

Elemento Radio

[nm]

Estructura Electrone-gatividad

Valencia Límite máx. solubilidad

[%]

Cu 0,1278 FCC 1,9 1 100

Zn 0,1332 HCP 1,6 2 39

Sn 0,1400 tetragonal 1,8 4 15,8

Al 0,1431 FCC 1,5 1 9,4

Fe-α 0,1241 BCC 1,8 2 4,1

Ni 0,1246 FCC 1,8 1 100

Ag 0,1445 FCC 1,9 1 8

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1. Elementos intersticiales en Fe2. Elementos substitucionales en Fe3. Elementos sin solubilidad en Feb elementos que pueden tener solubilidad completa en ciertas temperaturas(Cahn & Haasen, Vol 2, 1996)

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Aleaciones

• Los metales puros teóricamente tienen una estructura cristalográfica simétrica perfecta, a raíz de esto son los mas plásticos y mejores conductores del calor y la electricidad.

• Las aleaciones introducen distorsiones en la red cristalina, sean estas pequeñas o importantes provocan una alteración en las propiedades de los metales puros: aumento de la resistencia mecánica, disminución de la conductividad.

• Por ejemplo: el latón (Cu – Zn), con poco porcentaje de Zn (30 %) es fácilmente deformable en frío, con porcentajes mayores no se puede deformar en frío, se vuelve quebradizo

� Latón 70/30 : latón de cartuchería.� Cu electrolítico, 17/08/2017

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Aleaciones

• Límite de solubilidad: es la máxima concentración de soluto que puede agregarse sin que se genere una nueva fase.

• Este límite varía con la composición del sistema, la temperatura, la presión, el tiempo...

• Por ejemplo: el límite máximo de solubilidad del C en Fe es aproximadamente 0,02%, si se supera este límite entonces se forma una nueva fase: Fe3C.

• Si tenemos una mezcla de dos tipos de solución sólida α y β, generalmente corresponde una estructura cristalografica a α y otra a β. Los trozos de cristal (granos) α constituyen una fase y los β otra fase.

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Límite de solubilidad de C y N en Fe

(Bhadeshia y Honeycombe; Steels – Microstructure and properties; Elsevier; 2006)

Las aleaciones de Fe con C cuando el %C es menor a 2 se conocen como ACEROS (STEEL)

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Aleaciones

¿Qué es una fase?

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Aleaciones

• Fase: es una porción homogénea de un sistema que tiene características físico-químicas uniformes.

• Una característica físico-química es su estado como materia: fase líquida

• Otra característica puede ser su estructura cristalina o su composición química

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Aleaciones

• Si tenemos una mezcla de ambos cristales, existirán interfases entre ambos que interrumpen la continuidad del material trabando los posibles deslizamientos de los planos atómicos

� disminuye la deformación plástica.� disminuye la conductividad eléctrica.

• Por ejemplo: el bronce, aleación de Cu y Sn:Con 10% de estaño se puede deformar fácilmente por estampado, (aleación α)Con porcentajes del 30% de Sn o más, es frágil se debe usar en estado de colada no se puede deformar (aleación α + γ)

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Aleaciones

• Se definen los sitios de interfases como zonas límite entre dos estructuras cristalográficas diferentes, su influencia se manifiesta en:

– el aumento de la resistencia mecánica ( al trabar el deslizamiento de los planos atómicos)

– hay una disminución eventual de la resistencia dinámica (al choque), por sus valores de cohesión, pueden resultar zonas de fragilidad.

Estructura eutéctica y compuesto intermetálico

Fundición blanca hipoeutéctica

Sitios de interfase

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Aleaciones

• Si los componentes tienen distintas temperaturas de solidificación. Las distintas fases del material se forman en momentos diferentes.

• Si el proceso de solidificación es lento obtenemos granos bien conformados en su estado de equilibrio estable. Pueden obtenerse altos valores de plasticidad.

Estructura de un acero de medio carbono enfriado rápidamente.

(estructura martensítica)

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Aleaciones

Cuando las distintas fases de una aleación aparecen simultáneamente o sea coprecipitan, se forman estructuras de poca plasticidad, denominadas eutécticas.

Estructura Eutéctica o de

Coprecipitacion

Fundición blanca eutéctica

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Aleaciones

Los metales puros y las soluciones sólidas pueden ser deformadas plásticamente, estampado, trafilado, repujado, laminado en frío, etc. estas operaciones se pueden realizar en frío, en este caso los granos cristalográficos se alargan en el sentido de la deformación, esta distorsión impide una deformación posterior, se dice que se produce un endurecimiento por deformación plástica en frío.

Estructura de un acero de bajo carbono

SAE 1010 laminado en frío (granos alargados)

Estructura de laminado en frío

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Aleaciones

• Compuesto intermetálico: compuesto de dos metales que tiene una formula química definida. Sobre un diagrama de fase aparecen entre fases en un rango de composición bastante acotado.

– Estos compuestos generalmente poseen uniones atómicas covalentes.

– Constituyen compuestos rígidos y duros que se oponen a la deformación plástica. Son además difíciles de mecanizar y forman interfases frágiles con el resto del material.

– En general las aleaciones que las contienen son frágiles.– Por ejemplo Cu-Zn forman un compuesto intermetálico de estructura

BCC de composición 45,5-50,7 %Zn

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Aleaciones

• Compuesto intersticial: compuesto de un metal de transición y un elemento, habitualmente intersticial, (C, H, O, N, B) que tiene una formula química definida. Sobre un diagrama de fase aparecen entre fases en un rango de composición bastante acotado.

– Adicionalmente al compuesto intersticial, estos átomos pequeños forman soluciones sólidas intersticiales con cada uno de estos elementos de transición.

– Los compuestos intersticiales pueden altos puntos de fusión y son extremadamente duros.

– Ejemplos de ellos son: TiC, TaC, Fe3N, Fe3C, W2C, CrN, TiH. Muchos de estos compuestos son útiles para el endurecimiento del acero y en las herramientas de carburo cementado.

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Aleaciones

Material Babit (antifricción)

Compuesto intermetálico

Acero p/ herramientas K 100

Compuesto intermetálico

Carburos de Cr

Antimonio ( Sb)

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Aleaciones

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Aleaciones

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Preguntas1. ¿Qué es una estructura cristalina?2. ¿Cuántos sistemas cristalinos conoce? ¿Cómo se caracterizan?

¿Cuáles se observan habitualmente en los metales puros?3. Mencione las variantes que tienen los sistema cúbicos,

hexagonal y tetragonal.4. ¿Qué significa FCC y BCC? Dibuje la celda unitaria de cada una.5. Mencione tres características físicas que puedan ser

determinadas por la estructura cristalina.6. ¿Cómo se llama la propiedad de ciertos materiales de existir en

más de una estructura cristalina?7. ¿Qué es un grano?8. ¿Por qué podría darse una fractura integranular?9. Una fractura por clivaje, ¿es intergranular o transgranular?10. ¿Qué tipo de sistema cristalino tiene el borde de grano de un

aluminio? 47

Preguntas11. ¿Qué es la temperatura de equicohesión?12. ¿Qué es una aleación?13. ¿Qué se entiende por solución sólida y cuáles son los tipos que

existen?14. ¿Qué pasa si no hay solución sólida?15. ¿Cuáles son las condiciones que favorecen a una solución sólida

sustitucional?16. ¿Cuáles son los solutos intersticiales del Fe?17. Mencione tres propiedades de un metal que se vean alteradas

por el aumento de soluto en solución sólida.18. ¿Qué significa límite de solubilidad? ¿Qué sucede si se excede

este límite? ¿De qué depende?19. ¿Que es una fase? Mencione 5 ejemplos.20. ¿Qué es un compuesto intermetálico?

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Preguntas21. ¿Cuál de los siguientes elementos no es soluto intersticial del

Fe?a. C

b. Sc. Nd. B

22. ¿Cuál de las siguientes características no se ve alterada por el aumento de soluto en solución sólida?

a. resistencia mecánicab. conductividad eléctricac. composición química

d. nivel de imperfecciones

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Preguntas23. ¿Qué significa alotropía?

a. Sólido elemental que tiene varias fases en un mismo sistema

b. Que, dependiendo de la temperatura y presión, puede tener diferentes estructuras cristalinas

c. Que las propiedades dependen de la dirección en que se midan

d. Que esta conformado de más de un grano

24. ¿Cuál de las siguientes no es propio de un compuesto intersticial?

a. Tiene una formula química definidab. Está formado por dos metales de transiciónc. Está formado por un metal de transición y C, H, O, N ó B

d. En un diagrama de fase aparece en un rango bastante acotado de composición

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Preguntas25. Si el soluto ocupa lugares de la red cristalina que le corresponden

a los átomos del solvente, se dice que es:a. compuesto intersticialb. solución sólida sustitucionalc. compuesto intermetálicod. solución sólida intersticiale. borde de grano

26. ¿Qué se entiende por límite de solubilidad?a. límite entre dos porciones homogéneas de un sistema que tienen

características físico-químicas uniformes y distintasb. límite entre dos cristales individuales en un material policristalinoc. límite entre un compuesto intermetálico y una solución sólida

sustitucionald. es la máxima concentración de soluto que puede agregarse sin que

se genere una nueva fase

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Preguntas26. ¿Qué se entiende por límite de grano?

a. límite entre dos porciones homogéneas de un sistema que tienen características físico-químicas uniformes y distintas

b. límite entre dos cristales individuales en un material policristalinoc. límite entre un compuesto intermetálico y una solución sólida

sustitucionald. es la máxima concentración de soluto que puede agregarse sin que

se genere una nueva fase

27. ¿Qué se entiende por interfase?a. límite entre dos porciones homogéneas de un sistema que tienen

características físico-químicas uniformes y distintasb. límite entre dos cristales individuales en un material policristalinoc. límite entre un compuesto intermetálico y una solución sólida

sustitucionald. es la máxima concentración de soluto que puede agregarse sin que

se genere una nueva fase52

Preguntas28. ¿Cuál de los siguientes elementos presenta alotropía? Indicar

que tipo de estructura tienen.a. Titaniob. Aluminioc. Circoniod. Cobree. Hierro

29. ¿Por dónde ocurre la fractura si se dice “fractura transgranular”?a. por el límite entre dos fasesb. por el límite entre dos granosc. a través del límite entre un compuesto intermetálico y una solución

sólida sustitucionald. a través del grano

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Preguntas30. ¿En cuál de las siguientes estructuras cristalina no existe el

hierro?a. FCCb. BCCc. Cúbica simpled. Hexagonal compactae. Cúbica centrada en las caras

31. ¿Cuál de los siguientes elementos no es aleante sustitucional del Fe?

a. Clb. Mnc. Crd. Sie. Ni

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