configuraciones cristalinas
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13 de febrero de 2012 ING. DE MATERIALES METALICOS
INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACA
DEPARTAMENTO DE METAL MECANICA
CARRERA: Ing.Mecanica
NOMBRE DE LA ASIGNATURA:
Ingenieria de los materiales metalicos
TEMA DE INVESTIGACION DE LA UNIDAD 1:
Configuraciones estructurales
TRABAJO DE INVESTIGACION
NOMBRE DEL ALUMNO:
Martinez Toledo Ivan
Esperon Bustamante Daniel de Jesus
Garcia Jacinto Fabian
Lopez Molina Fredy
Carrasco Hernandez Daniel
Carreño Arango Carlos
Hernandez Santiago Hayde Yoseline
GRUPO: MD
AULA: I5 HORA: 15:00-16:00
SEMESTRE: 2º
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13 de febrero de 2012 ING. DE MATERIALES METALICOS
REVISO: ING.VALERIANO HURTADO INOCENTE
FECHA DE ENTREGA: 13 DE FEBRERO 2012
Indicé.
Configuraciones estructurales.
1.1Imperfecciones cristalinas…………………………………………………….
3
1.1.1 Tipos de imperfecciones en los cristales……………………………….. 31.2 Defectos puntuales…………………………………………………………... 71.3 Defectos lineales……………………………………………………………...
9
1.4 Defectos superficiales………………………………………………………. 141.5 Átomo…………………………………………………………………………..
16
1.5.1Historia del átomo…………………………………………………………...
18
1.5.2 Numero atómico…………………………………………………………….
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1.6 Movimiento atómico…………………………………………………………. 211.6.1 Los átomos en un cristal…………………………………………………. 221.7 Difusión………………………………………………………………………. 231.8 Mecanismos de difusión……………………………………………………. 241.8.1 Intercambio directo……………………………………………………….. 2418.2 Anillo…………………………………………………………………………. 251.8.3 Difusión por vacantes………………………………………………………
25
1.8.4 Difusión intersticial…………………………………………. …………….. 26
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1.1 Imperfecciones cristalinas.
La Teoría Cristalina se basa en tres importantes postulados, son estos:
Postulado Reticular; el cristal es un medio periódico infinito definido por
una de las catorce redes de Bravais.
Postulado estructural; el cristal posee una estructura atómica y la
simetría de esta corresponde a uno de los 230 grupos espaciales (32 clases de
simetría puntual + 14 redes de Bravais).
Postulado energético; los átomos en la estructura cristalina ocupan
posiciones de equilibrio para los cuales la energía es mínima.
Por todo esto, la teoría cristalina nos proporciona una idea del cristal
donde el orden, existe, manda, en todo momento. Pero la realidad es muy
distinta, el cristal real no es un ente atómico perfecto, sino que esta lleno de
defectos. Por ejemplo, un cristal de Fluorita se origina por la aposición de miles
de millones de átomos, y en este proceso es muy posible que se generen
errores en su estructura. Estos errores son los que hacen que cada especimen
mineral sea único e irrepetible. Estas imperfecciones son una característica
esencial del cristal. Pero solo puede existir un número finito de imperfecciones
en el cristal ya que de lo contrario dejaría de ser un sólido cristalino.
1.1.1Tipos de imperfecciones en los cristales:
- Relativas a su extensión:
La primera imperfección del cristal es su propia
limitación, la teoría cristalina considera que la materia
cristalina es un medio periódico infinitamente extendido
en las tres direcciones del espacio. Pero un cristal real
está limitado en el espacio por caras, por otros cristales
adyacentes, o por otros materiales. Por ejemplo un cristal
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de fluorita puede crecer en una grieta de roca caliza, la estructura de la fluorita
se ve limitada en ese caso por la caliza.
En las caras de los cristales existe un estado de no saturación, por ello
tiene tendencia a absorber partículas creando por ejemplo epitaxias o películas
orientadas. (Definición de epitaxia: es el crecimiento de cristales de un mineral
en una cara cristalina de otro mineral (puede darse entre minerales iguales,
homoepitaxia), de forma que el sustrato cristalino de ambos minerales tiene la
misma orientación estructural. Existe, homoepitaxia o heteroepitaxia según los
materiales sean iguales o distintos.
- Relativas a su composición:
Los minerales no suelen ser sustancias puras, un mineral puro es algo
excepcional. La mayoría presenta una variación en su composición química.
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Es determinante en la estructura del cristal el tamaño de las partículas
que la forman, la coordinación de estas dependen de reglas geométricas fijas.
Sustitución: átomos de igual o
parecido tamaño pueden jugar un papel
idéntico en la estructura, la geometría no
se altera pero la periodicidad sí. Existen
minerales en la naturaleza con mayor
capacidad para aceptar en su estructura
otros elementos que no son los que
teóricamente tiene su composición
básica. Por ejemplo, un mineral muy
común, la calcita (Co3Ca), si su composición es pura, es incolora, pero suele
tener colores muy diferentes debido a que su composición básica puede variar,
dependiendo de las condiciones en la que crezca, si alrededor existe
manganeso, átomos de este elemento se introducen en la estructura de la
calcita, sustituyendo átomos de Calcio. En ciertos casos, los nuevos átomos
que entran sustituyendo a otros tienen valencia distinta y como el cristal debe
de permanecer neutro, la solución es no ocupar todas las posiciones atómicas
ocupadas por el ión o átomos de carga menor, esto es lo que se llama lugares
vacantes.
Si el átomo que se incorpora a la estructura es muy pequeño puede
situarse, sin alterarla profundamente, en los espacios interatómicos existentes,
llamados lugares intersticiales.
Las impurezas del medio pueden
ser englobadas por el cristal que crece, a
estas impurezas se las llama inclusiones.
Por ejemplo, no es raro que el cuarzo
tenga cristales de otro mineral dentro de
él. Un caso muy vistoso son los cristales
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de cuarzo en la mina Panasqueira en Portugal, donde los cuarzos pueden
contener cristales de apatito, arsenopirita, ferberita, turmalina, etc.
- Relativas a su integridad estructural:
El cristal ideal requiere una continuidad perfecta de la red cristalina. La
integridad estructural del cristal sufre cuando se rompe esta continuidad de la
red. Las imperfecciones más importantes que afectan a la continuidad de una
red son las dislocaciones. Las imperfecciones que tiene un cristal real hacen
aumentar su energía, pero este tiende a configurarse de la forma más estable
posible, es decir con las mínimas imperfecciones. El cristal ideal tiene una
estructura cuya energía es mínima. Como la eliminación total de
imperfecciones es imposible las concentra en regiones de su estructura y
adyacentemente a estas regiones mal formadas estan otras bien formadas.
Esta es una idea a la que se llegó gracias a la aplicación de los rayos-X al
estudio de los cristales.
- Relativas a su dinámica:
El cristal es un medio dinámico y su entorno, la naturaleza, también lo
es, y como tal puede sufrir procesos de corrosión, meteorización, cambios de
fase (polimorfismo).
El polimorfismo es una característica de algunas sustancias o elementos
químicos para cristalizar en más de un tipo de estructura. Las diferentes
estructuras que puede crear una misma sustancia o elemento se llaman formas
polimorfas o polimorfos. Por ejemplo el elemento C puede dar, según las
condiciones existentes, dos minerales el grafito y el diamante. La sustancia
SiO2 puede dar cuarzo bajo, cuarzo alto, tridimita alta, cristobalita alta, coesita
y estisovita. Y todas tienen un grupo espacial distinto. Son minerales diferentes
pero tienen la misma fórmula química.
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1.2 Defectos puntuales.
Defectos puntuales: Los defectos puntuales son discontinuidades de la
red que involucran uno o quizá varios átomos. Estos defectos o
imperfecciones,, pueden ser generados en el material mediante el movimiento
de los átomos al ganar energía por calentamiento; durante el procesamiento
del material; mediante la introducción de impurezas; o intencionalmente a
través de las aleaciones.
Huecos: Un Hueco se produce cuando falta un átomo en un sitio
normal. Las vacancias se crean en el cristal durante la solidificación a altas
temperaturas o como consecuencia de daños por radiación. A temperatura
ambiente aparecen muy pocas vacancias, pero éstas se incrementan de
manera exponencial conforme se aumenta la temperatura.
Defectos intersticiales: Se
forma un defecto intersticial cuando se
inserta un átomo adicional en una
posición normalmente desocupada
dentro de la estructura cristalina. Los
átomos intersticiales, aunque mucho
más pequeños que los átomos
localizados en los puntos de la red,
aún así son mayores que los sitios
intersticiales que ocupan; en
consecuencia, la red circundante
aparece comprimida y distorsionada. Los átomos intersticiales como el
hidrógeno a menudo están presentes en forma de impurezas; los átomos de
carbono se agregan al hierro para producir acero. Una vez dentro del material,
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el número de átomos intersticiales en la estructura se mantiene casi constante,
incluso al cambiar la temperatura.
Defectos sustitucionales: Se crea un defecto sustitucional cuando se
remplaza un átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional
permanece en la posición original. Cuando estos átomos son mayores que los
normales de la red, los átomos circundantes se comprimen; si son más
pequeños, los átomos circundantes quedan en tensión. En cualquier caso, el
defecto sustitucional distorsiona la red circundante. Igualmente, se puede
encontrar el defecto sustitucional como una impureza o como un elemento
aleante agregado deliberadamente y, una vez introducido, el número de
defectos es relativamente independiente de la temperatura.
Importancia de los defectos puntuales: Los defectos puntuales alteran
el arreglo perfecto de los átomos circundantes, distorsionando la red a lo largo
de quizás cientos de espaciamientos atómicos, a partir del defecto. Una
dislocación que se mueva a través de las cercanías generales de un defecto
puntual encuentra una red en la cual los átomos no están en sus posiciones de
equilibrio. Esta alteración requiere que se aplique un esfuerzo más alto para
obligar a que la dislocación venza al defecto, incrementándose así la
resistencia del material.
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1.3 Defectos lineales.
Los defectos lineales, que son unidimensionales, se denominan también
dislocaciones y dan lugar a una distorsión en la red centrada alrededor de una
línea imaginaria. Se puede entender una dislocación como la línea frontera que
une en el interior de un cristal los puntos atómicos con posición anormal. En
ocasiones también se define como el límite entre dos regiones una de las
cuales se ha desplazado con respecto a la otra. Estos defectos dan en metales,
casi nunca en materiales iónicos y pueden generarse durante los procesos de
solidificación del sólido cristalino, como consecuencia de una deformación
plástica o permanente del cristal, por condensación de vacantes y por
desajustes atómicos en disoluciones sólidas.
El defecto lineal suele designarse por una “T invertida” (┴), que representa el
borde de un semiplano extra de átomos. Esta configuración conduce por sí
misma a una designación cuantitativa sencilla, el vector de Burgers, b. Este
parámetro es simplemente el vector desplazamiento necesario para cerrar un
circuito realizado por paso a paso alrededor del defecto. En el cristal perfecto,
un circuito con m×n pasos atómicos se cierra en el punto inicial. En la zona de
la dislocación, el mismo circuito no se cierra. El vector de cierre (b) representa
la magnitud del defecto estructural. Esto lo podemos ver en la siguiente figura:
Figura 1.Definición del vector burgers, b, en: (a) una estructura cristalina
perfecta donde el circuito de vectores se cierra en el punto de partida; (b) en
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una estructura cristalina con una dislocación de borde donde en la zona de
dislocación ese mismo circuito no cierra y es necesario un vector adicional, b;
dicho vector representa la magnitud de la dislocación y se observa que es
perpendicular a la línea de dislocación, t; (c) en una estructura cristalina con
una dislocación de tornillo o helicoidal ; de nuevo en la zona de la dislocación el
circuito de vectores no cierra y es necesario el vector de burgers, que de nuevo
representa la magnitud de la dislocación; se observa que el vector burgers es
perpendicular a la línea de dislocación, t.
Se distinguen dos tipos: mixtas y puras (donde se incluyen las dislocaciones de
cuña o borde y las de tornillo o helicoidales):
Puras
Dislocación de cuña, borde o arista.
Es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del
semiplano de átomos extra (Figura 2). Se representa por el símbolo ┴, o “te
invertida”, haciendo referencia al borde del semiplano extra. En esta posición
se dice que la dislocación de cuña es en sentido positivo o lo que es los mismo,
el plano extra se ha insertado en la parte superior del plano de corte. Para
representar la situación opuesta, se emplea el símbolo T (dislocación de cuña
negativa).
La dislocación de cuña genera una zona de esfuerzos de compresión donde se
encuentra el semiplano extra de planos y una región de esfuerzos de tracción
debajo de este semiplano.
En la dislocación de cuña, el vector de Burgers el perpendicular a la línea de
dislocación.
Figura 2
Dislocación helicoidal o de tornillo.
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Se puede formar en estructuras cristalinas perfectas por la acción de un
esfuerzo cortante o de cizalladura (tangencial) sobre una de las caras hasta el
deslizamiento parcial por un plano cortante (Figura 3). Ahora el reordenamiento
atómico que se produce alrededor de la línea de dislocación da lugar a una
forma de tornillo o hélice, de ahí el nombre que recibe esta dislocación. La red
cristalina pasa de ser un conjunto ordenado de planos, a presentar superficies
helicoidales cuyo eje vertical es la dislocación (apilamiento helicoidal de planos
cristalinos en torno a la dislocación de tornillo).
Se representa por el símbolo ⊗ cuando entra en el plano del papel,
considerándose en este caso positiva. En caso contrario se denota por el
símbolo ּס
Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de
dislocación.
Figura 3
Mixtas
Los dos tipos de dislocaciones definidas anteriormente son formas límites. Las
dislocaciones que normalmente aparecen en los materiales reales son formas
intermedias entre estas dos extremas y reciben el nombre de dislocaciones
mixtas. En este caso, las dislocaciones tienen componentes de dislocaciones
borde y tornillo. Se muestra un ejemplo en la Figura 4. La línea de dislocación
es de tipo tornillo puro cuando entra en la estructura cristalina y de tipo borde
puro cuando sale de ella. En el interior de la estructura cristalina, la dislocación
pasa a ser de tipo mixto, con componentes de borde y de tornillo.
Por tanto, el vector de Burgers de la dislocación mixta no es ni perpendicular ni
paralelo a la línea de dislocación pero mantiene una orientación fija en el
espacio, que es compatible con las definiciones previas en las formas de
dislocación de borde y de dislocación helicoidal.
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Figura 4
Medida de las dislocaciones
Virtualmente todos los materiales contienen algunas dislocaciones que son
introducidas durante la solidificación, la deformación plástica, o como
consecuencia de tensiones térmicas que resultan del enfriamiento rápido. La
forma de indicar la cantidad de dislocaciones que presenta un material es
mediante la densidad de dislocaciones o longitud total de dislocaciones por
unidad de volumen, y se indica en unidades de cm/cm3 o sencillamente por nº
de dislocaciones por cm-2. Para un metal sin deformar suele ser habitual una
densidad de dislocación de 106 cm-2, duplicándose este número para el metal
deformado plásticamente (en torno a 1012 cm-2).
La visualización de las mismas se realiza por procesos de Microcalorimetría o
Microscopía electrónica de transmisión.
Importancia de las dislocaciones
El proceso de deslizamiento de las dislocaciones es de especial importancia
para conocer el comportamiento mecánico de los metales.
En primera lugar, permite explicar el por qué el esfuerzo teórico necesario para
deformar plásticamente (o permanentemente) un material, es mucho mayor
que el valor necesario observado en la práctica. En efecto, el deslizamiento
provocado por los movimientos de las dislocaciones, provoca una mayor
facilidad de ruptura de uniones atómicas lo que implica una menor fuerza
requerida para la deformación plástica del metal. Por tanto, la presencia de
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dislocaciones, facilita la deformación plástica de un metal y cuantos más
sistemas de deslizamiento posea, mayor facilidad presentará.
En segundo lugar, el deslizamiento de las dislocaciones, confiere a un metal
ductilidad, propiedad relacionada con el mecanismo antes expuesto.
Por último, se puede aumentar la resistencia de un metal, controlando el
movimiento de sus dislocaciones. Un obstáculo introducido de forma voluntaria
en el metal, impedirá que las dislocaciones se deslicen, a menos que se
aplique mayor fuerza de deformación, lo que implica que el material sea más
resistente. Las distintas formas de aumentar la resistencia de los metales y sus
aleaciones, se basan en este hecho, aumentar el número de dislocaciones del
material e impedir o anclar su deslizamiento.
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1.4 Defectos superficiales.
Los defectos superficiales son los límites o bordes o planos que dividen
un material en regiones, cada una de las cuales tiene la misma estructura
cristalina pero diferente orientación.
Superficie externa.
Las dimensiones exteriores del material representan superficies en las
cuales la red termina abruptamente. Los átomos de la superficie no están
enlazados al número máximo de vecinos que deberían tener y por lo tanto,
esos átomos tienen mayor estado energético que los átomos de las posiciones
internas. Los enlaces de esos átomos superficiales que no están satisfechos
dan lugar a una energía superficial, expresada en unidades de energía por
unidad de área (J/m2 o Erg/cm2). Además la superficie del material puede ser
rugosa, puede contener pequeñas muescas y puede ser mucho mas reactiva
que el resto del material.
Bordes de grano.
Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales
de diferentes orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos.
El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están
uniformemente separados, o sea que hay átomos que están muy juntos
causando una compresión, mientras que otros están separados causando
tensión. De cualquier forma los limites de grano son áreas de alta energía y
hace de esta región una más favorable para la enucleación y el crecimiento de
precipitados.
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Maclas
Una macla es un tipo especial de límite de grano en el cual los átomos
de un lado del límite están localizados en una posición que es la imagen
especular de los átomos del otro lado.
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1.5 Átomo.
El átomo es la parte más pequeña en la que se puede obtener materia
de forma estable, ya que las partículas subatómicas que lo componen no
pueden existir aisladamente salvo en condiciones muy especiales. El átomo
está formado por un núcleo, compuesto a su vez por protones y neutrones, y
por una corteza que lo rodea en la cual se encuentran los electrones, en igual
número que los protones.
Protón, descubierto por Ernest
Rutherford a principios del siglo XX, el protón
es una partícula elemental que constituye parte
del núcleo de cualquier átomo. El número de
protones en el núcleo atómico, denominado
número atómico, es el que determina las
propiedades químicas del átomo en cuestión.
Los protones poseen carga eléctrica positiva y una masa 1.836 veces mayor de
la de los electrones.
Neutrón, partícula elemental que constituye parte del núcleo de los
átomos. Fueron descubiertos en 1930 por dos físicos alemanes, Walter Bothe y
Herbert Becker. La masa del neutrón es ligeramente superior a la del protón,
pero el número de neutrones en el núcleo no determina las propiedades
químicas del átomo, aunque sí su estabilidad frente a posibles procesos
nucleares (fisión, fusión o emisión de radiactividad). Los neutrones carecen de
carga eléctrica, y son inestables cuando se hallan fuera del núcleo,
desintegrándose para dar un protón, un electrón y un antineutrino.
Electrón, es una partícula subatómica de tipo fermiónico. En un átomo
los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y
neutrones, formando orbitales atómicos dispuestos en sucesivas capas.
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1.5.1 Historia del átomo.
Cinco siglos antes de Cristo, los filósofos griegos se preguntaban si la
materia podía ser dividida indefinidamente o si llegaría a un punto que tales
partículas fueran indivisibles. Es así, como Demócrito formula la teoría de que
la materia se compone de partículas indivisibles, a las que llamó átomos (del
griego átomos, indivisible).
En 1803 el químico inglés John Dalton propone
una nueva teoría sobre la constitución de la materia.
Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos
grandes grupos: los elementos y los compuestos. Los
elementos estarían constituidos por unidades
fundamentales, que en honor a Demócrito, Dalton
denominó átomos. Los compuestos se constituirían
de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de átomos en
proporciones definidas y constantes. La teoría de Dalton seguía considerando
el hecho de que los átomos eran partículas indivisibles.
Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son
indivisibles, pues se componen de varios tipos de partículas elementales. La
primera en ser descubierta fue el electrón en el año 1897 por el investigador Sir
Joseph Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906.
Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados
en Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en órbitas
alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas
alrededor del Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se
concentra en un denso núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los
electrones.
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El núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la
Universidad de Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford entre los
años 1909 a 1911. El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de
partículas de cierta energía contra una plancha metálica delgada, de las
probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las partículas, se
dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos.
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1.5.2 El Número atómico.
Es el número entero positivo que equivale al número total de protones
existentes en el núcleo atómico. Es característico de cada elemento químico y
representa una propiedad fundamental del átomo: su carga nuclear.
El número atómico es el número Z
que acompaña al símbolo X de un
elemento, ZX. Un átomo neutro posee el
mismo número de protones que de
electrones, de manera que Z indica
también el número de electrones de un
átomo neutro.
Masa Atómica.
La curiosidad acerca del tamaño y masa del átomo atrajo a cientos de
científicos durante un largo periodo en el que la falta de instrumentos y técnicas
apropiadas impidió obtener respuestas satisfactorias. Posteriormente se
diseñaron numerosos experimentos ingeniosos para determinar el tamaño y
masa de los diferentes átomos. Un átomo es tan pequeño que una sola gota de
agua contiene más de mil trillones de átomos.
De la ley de Avogadro
se desprende que las masas
de un volumen patrón de
diferentes gases (es decir,
sus densidades) son
proporcionales a la masa de
cada molécula individual de gas. En ocasiones se habla de “peso atómico”
aunque lo correcto es “masa atómica”. La masa es una propiedad del cuerpo,
mientras que el peso es la fuerza ejercida sobre el cuerpo a causa de la
gravedad.
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La observación de que muchas masas atómicas se aproximan a
números enteros llevó al químico británico William Prout a sugerir, en 1816,
que todos los elementos podrían estar compuestos por átomos de hidrógeno.
El descubrimiento de estas masas atómicas fraccionarias pareció invalidar la
hipótesis de Prout hasta un siglo después, cuando se descubrió que
generalmente los átomos de un elemento dado no tienen toda la misma masa.
Los átomos de un mismo elemento con diferente masa se conocen como
isótopos.
En sí la masa atómica de un elemento es el número que indica cuántas
veces mayor es la masa de un átomo de dicho elemento que la unidad de
masa atómica (uma).
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1.6 Movimiento atómico.
Se mueve en toda direcciones en el
seno del espacio vació, atrayéndose unos a
otros cuando están separados por pequeñas
distancia, pero repeliéndose cuando se le trata
de juntar uno con otro.
El cambio físico no es más que la
retribución de los átomos. No hay alteración en
el átomo mismo.
Los átomos de gases, líquidos y sólidos están en
constante movimiento y se desplazan en el espacio tras un
período de tiempo. En los gases, el movimiento de los
átomos es relativamente veloz, tal efecto se puede
apreciar por el rápido avance de los olores desprendidos al
cocinar o el de las partículas de humo. En los líquidos, los
átomos poseen un movimiento más lento, esto se pone en
evidencia en el movimiento de las tintas que se disuelven
en agua líquida. El transporte de masa en líquidos y
sólidos se origina generalmente debido a una combinación de convección
(movilización de fluido) y difusión. En los sólidos, estos movimientos atómicos
quedan restringidos (no existe convección), debido a los enlaces que
mantienen los átomos en las posiciones de equilibrio, por lo cual el único
mecanismo de transporte de masa es la difusión. Sin embargo las vibraciones
térmicas que tienen lugar en sólidos permiten que algunos átomos se muevan.
La difusión de éstos en metales y aleaciones es particularmente importante si
consideramos el hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado
sólido llevan consigo movimientos atómicos; como ejemplo se pueden citar la
formación de núcleos y crecimiento de nuevos granos en la recristalización de
un metal trabajado en frío y la precipitación de una segunda fase a partir de
una solución sólida.
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1.6.1 Los átomos en un cristal.
Los tomos en un cristal no están estacionarios; ellos se mueven
apreciablemente de sus posiciones principales.
Por estudios de difracción se obtiene información no solamente acerca
de las principales posiciones atómicas sino también:
De las funciones de probabilidad de la densidad de los átomos individuales.
Además se obtiene una medición de sus tipos de desplazamiento promedio de las posiciones principales, considerando todas las unidades repetidas en el cristal.
Ambos modos de información son expresados por figuras en la
literatura química y cristalográfica; donde los átomos son
convenientemente representados por elipsoides de vibración.
En tales figuras no es difícil reconocer los rasgos cualitativos de los
movimientos atómicos.
En un cristal real, los átomos están vibrando cerca de sus posiciones de
equilibrio (desorden dinámico), y esto puede ser distribuido sobre diferentes
conjuntos de posiciones de equilibrio de una celda unitaria a otra (desorden
estático).
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1.7 Difusión.
Fenómenos de transporte por movimiento atómico La mayor parte de los
procesos y reacciones más importantes del tratamiento de materiales se basa
en la transferencia de masa.
El fenómeno de difusión se puede demostrar mediante el par difusor
formado por la unión de dos metales puestos en contacto (Cu-Ni). Este par se
calienta a elevada temperatura durante un largo período de tiempo y luego se
enfría.
El análisis químico revela:
Cu y Ni en los extremos separados por una región de aleación. La
composición de ambos metales varía con la distancia.
Interdifusión: átomos de un metal difunden en el otro
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Macroscópicamente: cambios de concentración que ocurren con el Tiempo
(Cu-Ni).
Transporte de átomos desde las regiones de elevada concentración a baja
concentración.
Autodifusión: átomos del mismo tipo intercambian posiciones
1.8 Mecanismos de difusión.
En materiales sólidos, los átomos están en continuo movimiento,
cambian rápidamente de posición.
Movilidad:
1) un lugar vecino vacío
2) el átomo debe tener suficiente energía como para romper los enlaces con
átomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento.
1.8.1Intercambio directo.
Este mecanismo es muy improbable, por la fuerte repulsión de corto
alcance de los átomos, lo que prohíbe la ocupación de la posición intermedia
donde los dos átomos deberían estar a mitad de camino.
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1.8.2 Anillo
Aquí las fuerzas repulsivas juegan un rol positivo, cada átomo “empujando” a
su vecino en el curso de una permutación circular. Sin embargo este
mecanismo requiere la coordinación de varios saltos atómicos, lo que hace que
su ocurrencia sea improbable.
1.8.3 Difusión por vacantes.
Mecanismo de difusión que implica el cambio de un átomo desde una
posición reticular normal a uno vacante.
Proceso necesita presencia de vacantes y la posibilidades de difusión es
función del numero de defectos que existan (T ºC)
El movimiento de los átomos va en sentido opuesto al de las vacantes.
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La autodifusión y la interdifusión (átomos de soluto sustituyen a los de
solvente) ocurren mediante este mecanismo.
1.8.4 Difusión intersticial.
Mecanismo de difusión que implica átomos que van desde una posición
intersticial a otra vecina desocupada.
El mecanismo tiene lugar por interdifusión de solutos(C,H,N y O) que
tiene átomos pequeños. Los solutos sustitucionales raramente ocupan
posiciones intersticiales y no difunden por este mecanismo.
Esta difusión ocurre más rápidamente que la difusión por vacantes (más
movilidad).
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Conclusión.
En esta unidad se aborda el concepto de aleación, y posibilidades
estructurales que aparecen en las principales aleaciones metálicas de interés
industrial, así mismo, se estudian los distintos defectos estructurales presentes
en los metales y sus implicaciones en el comportamiento mecánico del
material, esto, a fin de comprender la interrelación estructura-propiedades-
procesamiento en los materiales metálicos.
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13 de febrero de 2012 ING. DE MATERIALES METALICOS
Bibliografía.
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