Apuntes de Metalurgia

8/18/2019 Apuntes de Metalurgia

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UNIDAD I “CONCEPTOS BÁSICOS”

I. EstructuraII. Defectos cristalinos

III. SolucionesIV. ClasificaciónV. SolubilidadVI. SolidificaciónVII. Difusión

UNIDAD II “DIAGRAMAS DE FASE”

I. Diagramas binariosII. CurvasIII. Análisis de fase y composición qu micaIV. AplicacionesV. Diagramas ternarios

VI. CurvasVII. Análisis de fase y composición qu mica

VIII. Aplicaciones

UNIDAD III ALEACIONES

I. En función del elemento baseII. !errosas

III. "o ferrosasIV. En función del uso

ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Sistema Lados ÁngulosCúbico a = b = c α = β= γ = 90 °


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Tetrago a! a = b ≠ c α = β= γ = 90 °

Ortorr"#bico a ≠ b ≠ c α = β= γ = 90 °

Ro#bo$%rico&trigo a! a = b = c α = β= γ < 120 ° ,≠ 90 °

Mo oc!' ica a ≠ b ≠ c α = γ = 90 ° ≠ βTric!' ica a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ

(e)ago a! a ≠b ≠ c α = β= 90 ° γ = 120 °

#EDES DE $#AVAIS

Sistema Simple F.C.C B.C.C BasesCúbica % % %Tetragonal % %Ortorrómbica % % % % Romboédrica % Monoclínica % %Triclínica % e!agonal %

De acuerdo a lo anterior los sólidos se clasifican en sólidos y cristalinos&Cri*ta!i o& Se caracteri'a por tener ordenada su estructura( sus mol)culas o iones tienen forma bien definida(

los metales son cristalinos ya que tienen cristales o granos bien definidos.

A#or+o& "o tiene estructura interna definida.

Z

YX


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CONCEPTOS BÁSICOS

(0,0,0)(1,0,1)

(0,1,0)(1,1,1)

(0,1,1) (1,0,0)

(0,0,1) (1,1,0)

(0,0,1)

*(-1,0,0)

-

(0,0,-1)

+, ,

%

(0,-1,0) (0,1,0)

(1,0,0) +*


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Con respecto a la figura anterior es importante definir algunos conceptos.

Ce!%a , itaria& -enor subdivisión de una red que retiene las caracter sticas generales de toda una ret cula.

Re%- Se le llama as a un patrón que se repite o regular de un motivo.

Moti.o- nidades repetitivas de un patrón.

Retic,!a%o- Arreglo tridimensional en el que cada punto tiene los mismos vecinos.

E*tr,ct,ra cri*ta!i a- !orma geom)trica en donde los átomos( mol)culas o iones están ordenadosespacialmente( estos se representan con esferas de diámetro fi/o.

Nú#ero %e coor%i aci"& "0mero de átomos que se encuentran en contacto con un átomo en particular o eln0mero de átomos vecinos.

Par/#etro %e re%- Son las longitudes de los lados de una celda unitaria tomando en cuenta los ángulos entresus lados.

1odos los materiales los vamos a diferenciar por el tipo de red que contengan. Cada tipo de red va a depender

Del tama2o de sus iones( átomos y su enlace.

Or%e %e corto a!ca ce- Se le conoce as a un arreglo espacial de átomos( mol)culas que solo se e3tiende a

sus vecinos más cercanos. Se presenta en estructuras no cristalinas. E/.4 Vidrio( brea 5geles6 y recubrimientos por depositación de vapor.


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Microe*tr,ct,ra- Son estudios atómicos de escala mayor a la anterior( como por e/emplo los granos( loscuales al tener diferente arreglo atómico afectan al material.

Macroe*tr,ct,ra- :a escala a la cual observamos un material de manera directa( por e/emplo( los defectos enla fundición.

Macro 1 m Meso ; < ;= mm Micro >= < >== "m "ano 7 < ;=="m #tómico ; < ;== Ȧ

M,!ti1!ici%a% %e (, %- Cuando un nivel electrónico tenga varios orbitales con la misma energ a( loselectrones se van ocupando lo más desapareados posible en ese nivel.

Pri ci1io %e e)c!,*i" %e Pa,!i- "o puede ?aber dos electrones con los cuatro n0meros cuánticos iguales.

1abla periódica& !ormada por ;=7 elementos aceptados4

@= metales no sólidos

@ gases reactivosB gases nobles

E!ectro egati.i%a%& 1endencia de un átomo a ganar electrones

E!ectro1o*iti.a%- 1endencia de un átomo a ceder electrones

Ra%io at"#ico- distancia del n0cleo al electrón más le/ano

Pro1ie%a%& #espuesta de un material a un est mulo e3terno.

Proce*a#ie to- -ane/o de un material para que adquiera cierta geometr a o gorma

PLANOS


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Cuando los planos intersectan al e/e de las coordenadas se deberámover este e/e a una posición diferente para resolver cada uno deesos planos.

n plano se representa con 7 n0meros 5colocados entre par)ntesisque corresponden a las intersecciones con el e/e 3(y('

respectivamente. E/.& 5;;=6

1odo plano negativo se indicará colocando el signo por encima deln0mero. "unca colocar comas o puntos ya que indican

coordenadas. E/.& 5 0 ¿ .

:a familia de planos se representa colocando entre llaves 3(y('. E/.&

{10 0 }

P!a o* cri*ta!ogr/+ico*- Se entiende por plano a todo con/unto de átomos que se colocan en un área

determinada. Sirven para poder determinar el sentido en el cual crecen los cristales en algunos materiales.

ndices de -iller& Su ob/etivo es identificar todos los planos de deformación 5planos espec ficos6 en unaestructura cristalina. Además se pueden indicar planos de desli'amiento.

rocedimiento&

a6 Identificar las intersecciones del plano con 3(y(' b6 Determinar el rec proco de estas intersecciones.c6 Simplificar las fracciones resultantes sin reducir a m nimos enteros.d6 #epresentarlos entre par)ntesis( recordando que para los n0meros negativos se pone una

l nea ?ori'ontal sobre ellos.

DIRRECIONES CRISTALOGRÁFICAS


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:os ndices de -iller en la dirección cristalográfica se utili'an para describir una dirección espec fica en lacelda unitaria. Como las direcciones son vectoriales( la dirección y su negativo representan la misma l nea pero diferente sentido.

Se utili'an para describir o indicar la orientación de un cristal. :a dirección y su m0ltiplo son iguales y en estecaso se reducirán a m nimos enteros.

rocedimiento&

a6 8btener las coordenadas del punto inicial y final. b6 #estar las coordenadas de punto delantero del trasero.c6 Eliminar fracciones o reducir el resultado a m nimos enteros.d6 Encerrar el resultado entre corc?etes recordando colocar una l nea ?ori'ontal sobre

negativos

DIFUSI2N-ecanismo por el cual la matera se transporta( los átomos se mueven de manera predecible( tratando deeliminar diferencias de concentración y producir una composición ?omog)nea. :os fenómenos de difusión sedan en sólidos( l quidos y gases( en estos 0ltimos es muy rápido( en los l quidos es más lenta al e3istir mayorinteracción atómica y finalmente en los sólidos se da por vibración t)rmica ?asta alcan'ar el equilibrio(

Ti1o* %e %i+,*i"

Autodifusión& Consiste en la difusión de átomos en un sólido por otro de su misma naturale'a.

Difusión de sólidos o impure'as4 Cuando las impure'as o átomos se despla'an en una matri' de átomosdiferentes.

3C,/ %o oc,rre !a %i+,*i" 4

• Debe e3istir una posición 5vacante6 pró3ima vac a.• tomos con suficiente energ a vibratoria para romper el enlace con sus vecinos y distorsionar la red

en el despla'amiento.

Meca i*#o* 1ri ci1a!e* %e %i+,*i"

• Sustitucional o por vacancias& Es cuando se mueven los átomos de/ando su posición para llenar otra

creando creando vacantes


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• Intersticial& En este caso el átomo intersticial se despla'a a otro sitio vac o sin despla'ar permanentemente a otro átomo de la matri'. :os átomos que se difunden intersticialmente son más peque2os que los de la matri'

E erg'a %e acti.aci" & Se le llama as a la energ a requerida para mover un átomo de un sitio de red a otro.

Eac Mec sustitución≫ Eac Mec Intersicial

F!,5o %e %i+,*i" 678& Cantidad de masa5átomos6 que se difunden perpendicularmente a trav)s de un área.

9:ERA LE; DE FIC< 6DIFUSI2N EN ESTADO ESTACIONARIO8

En este tipo de difusión( el flu/o 5F6 permanece constante( ya que no cambia la concentración de átomos desoluto en un punto determinado con el tiempo.

Se e3presa matemáticamente como sigue&

J =− D dcd

F& !lu/o de difusión( !"m2 s) & "0mero de átomos - que se difunden por unidad de superficie y tiempo


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# / #$ & Gradiente de concentración 5cambio de concentración por unidad de superficie6

D& Difusibilidad o coeficiente de difusión(m2s )

C& -asa de la sustancia o "A por unidad de volumen( !"m3) ó (atmm3 )El signo negativo indica que la dirección de la difusión es contraria al gradiente de concentración 5desdeelevada ?asta ba/a concentración6.

Di+,*i" = te#1erat,ra

El coeficiente de difusión tiene una dependencia e3ponencial con la temperatura

D= D %exp (− &d '( )

D& Coeficiente de difusión(m2s )

D=& Coeficiente de proporcionalidad(m2s )

Hd& Energ a de activación( J mol− ! )ó( e) mol− ! )

#& Constante de gases @.;7J

mol− !

1& 1emperatura absoluta Dintersticial≫ D *ubstitucional

>:DA LE; DE FIC< 6DIFUSI2N EN ESTADO NO ESTACIONARIO8

:a concentración del soluto en un punto del material cambia con el tiempo 5el flu/o de difusión y el gradienteno permanecen constantes6. :a mayor a de los materiales están en estado no estacionario.


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#C#t

= # # ( D #c# )

Condición l mite&

1 ¿ 0 C = Co +ara 0 < <

1 ¿ 0 concentraciónsu+er-icial

C =¿

¿

C = Co +ara =

C − CoCs− Co

= 1− er- ( 2 . Dt )

A1!icaci" e 1roce*o* i %,*tria!e*

• Endurecimiento superficial del acero• !abricación de

Sinteri'ación& :os átomos se difunden en los puntos de contacto( reduciendo el tama2o de poro( provocandola formación de puentes o cuellos entre las part culas o granos independientes.

:a difusión es más rápida para&

• En estructuras cristalinas no compactas.• -inerales con enlaces secundarios.• Difusión de átomos peque2os.• -ateriales de ba/a densidad.

:a difusión es más lenta para&

• Estructuras compactas.• -ateriales con enlaces covalentes.• Difusión de átomos grandes.• -ateriales de alta densidad.

De+ecto* cri*ta!i o*


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• untuales• :ineales• lanares• Volumen

ara calcular la concentración de los defectos puntuales&

N/ = Noe +(− &/ !( ) "v& "0mero de defectos por m7

"o& 1otal de sitios ocupados por átomos.

+Hv& Energ a de activación

J& Constante de $olt'man (1.38 10− 23

J atom− ! )ó(8.62 10− 5

e) atom− ! )1& 1emperatura.

K"vL" M ;=+ 5; vacante por cada ;=== lugares ocupados6

KEl n0mero de vacantes 5"v6 aumenta con la temperatura.

Dentro de los defectos puntuales están&

Defectos !renNel& n ión salta de un punto normal a un sitio intersticial de/ando una vacancia.

Defectos Sc?ottNy& ar de vacancias en un material con enlace iónico. ara mantener la neutralidad debefaltar un catión y un anión.

So!,ci" *"!i%a

!ase cristalina de composición variable. E3isten de dos tipos&

• Sustitucionales• Intersiticiales

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