METALES

Ing. Jonathan Almirn Baca

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solape entre la banda de valencia y la banda de conduccin en su estructura electrnica (enlace metlico). Esto le da la capacidad de conducir fcilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura electrnica conocida, se usa el trmino para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presin y temperatura, la conductividad elctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores.

Propiedades Comunes de los Metales

Transformacin de los metales

1. Metal Fundido

2. Metal Trabajado

3. Metal Pulverizado

CLASIFICACION DE LOS MATERIALES

ALEACIONES

DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO

BINARIOS

(Diagramas de fases)

Una fase tiene las siguientes caractersticas:

La misma estructura y ordenamiento atmico en todo el material.

Tiene en general la misma composicin y propiedades en su interior.

Hay una interfase definida entre la fase y cualquiera de las otras fases circundantes.

Definicin de Fase

Parte de un sistema cuya composicin (naturaleza y concentracin de constituyentes)

y organizacin atmica (estructura cristalina o amorfa) son fijas. Es decir, parte

homognea de un sistema cuyas caractersticas fsicas y qumicas son comunes.

Fase

Una fase de un material, en trminos de su microestructura, es una regin que

difiere en estructura y/o composicin de otra regin.

agua

Agua lquida

Hielo

Vapor de agua

Diagramas de fases

Son representaciones grficas de las fases que estn presente en un sistema de

materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.

De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente informacin:

Mostrar que fases estn presentes a diferentes composiciones y temperaturas

Determinar la temperatura a la cual una aleacin enfriada bajo condiciones de

equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se presenta la

solidificacin.

Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.

Diagramas de fases de sustancias puras

Una sustancia pura puede existir en las fases slida, lquida y vapor,

dependiendo de las condiciones de temperatura y presin.

Diagrama de fases en equilibrio

presin -temperatura para el

agua

Punto triple: presin y temperatura a la que estn en equilibrio (coexisten) tres

fases de un material

Diagrama presin-temperatura carbono

Diagrama de fases en

equilibrio

presin temperatura,

hierro puro

En la mayora de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones.

Aleacin

Monofsica

Polifsica

Aleacin monofsica

Aleacin polifsica

Es importante conocer el comportamiento de un material con la

temperatura. Tres ejemplos:

- Cuando el ejrcito nazi, se encontr en campo sovitico durante el fro invierno, no

haban tenido en cuenta que todo su armamento metlico, iba a sufrir las

consecuencias del fro. A -40 C, los aceros pueden contraerse entre 1 - 4%, en funcin

del contenido de carbono. En otras palabras, pensar en un tubito por donde sale una

bala de can, que debera medir 100mm, se ha encogido 2 3mm

- El PTFE, (tefln) en estado 100% slido, puede soportar hasta los 270C, sin perder

sus propiedades, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315C por qu no ms

all? Resulta que a partir de 325C, el PTFE empieza a carbonizarse, y a emitir unos

vapores que son bastante txicos.

- En los aceros, existen una fase de transicin, donde el material cambia su capacidad

de deformarse, o sea, pasa de dctil a frgil. Cuando se recuperaron partes del casco

del malogrado Titanic, se realizaron los ensayos para determinar la temperatura de

transicin del acero utilizado, determinando que era -15 C. As que el empleo de ese

material, la temperatura del agua por donde andaban, adems de otros detalles

estructurales como las uniones entre planchas, provoc la ruptura del casco, y el

hundimiento del barco. La culpa no fue solamente el choque contra el iceberg.

Solubilidad y soluciones slidas

Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por ejemplo cuando se

agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formar soluciones slidas o lquidas.

Solucin slida:

Fase slida formada por la combinacin de dos o ms elementos que estn

atmicamente dispersos, formando una nica estructura (fase) y de composicin

variable (por ser una solucin, hay un rango de solubilidad).

Solubilidad de soluciones slidas:

Solubilidad total (completa)

Solubilidad parcial o limitada

Insolubilidad total

a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total

a) y b) Cu y Ni lquidos son totalmente solubles entre s, las aleaciones slidas de Cu

y Ni tienen solubilidad completa c) En aleaciones Cu y Zn que contienen ms de 30%

de Zn se forma una segunda fase por la solubilidad limitada del Zn en el Cu

Lmite de solubilidad

Para una temperatura especfica, existe una concentracin mxima de tomos de

soluto que se disuelven en el disolvente para formar una solucin slida.

Solubilidad del azcar en un jarabe de agua azucarada

TIPOS DE SOLUCION SOLIDA

Es la fase cristalina nica y homognea que contiene dos o mas especies qumicas,

se dividen en dos tipos:

a) INTERSTICIALES

Cuando el tomo de soluto es lo bastante pequeo para ocupar espacios abiertos

entre tomos adyacentes en la estructura cristalina se forma una SOLUCION SOLIDA

INTERSTICIAL.

b) SUSTITUCIONAL.

Es cuando los tomos del soluto se encuentra en alguno de los puntos reticulares del

solvente, siendo la distribucin al azar.

Solucin slida sustitucional: los

tomos de B ocupan posiciones de la

red A

Solucin slida intersticial: los

tomos B ocupan posiciones

intersticiales de la red A

Soluciones slidas sustitucionales:

En las soluciones slidas sustitucionales, los tomos de soluto sustituyen en trminos de

posicin, a los tomos de la matriz.

Para que un sistema de aleacin, como el de Cu-Ni, tenga solubilidad slida ilimitada,

deben satisfacerse ciertas condiciones conocidas como las Reglas de Hume- Rothery:

El radio atmico de cada uno de los dos elementos no debe diferir en ms del

15%,para minimizar la deformacin de la red.

Los elementos no deben formar compuestos entre s. Es decir, no debe haber

diferencias apreciables en la electronegatividad de cada elemento.

Los elementos deben tener la misma valencia.

La estructura cristalina de cada elemento de la disolucin slida debe ser la misma

Ejemplo: