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 1

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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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REVISO: ING.VALERIANO HURTADO INOCENTE

FECHA DE ENTREGA: 13 DE FEBRERO 2012

Indicé.

Configuraciones estructurales.

1.1Imperfecciones cristalinas…………………………………………………….

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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…………………………………………………………………………..

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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………………………………………………………

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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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Bibliografía.

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