ESTRUCTURA-CRISTALINA

Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola

MATERIALES Y MANUFACTURA

PRESENTA:

M.I PEDRO CRUZ MEZA Chapingo, Edo de México Febrero de 2015

1.6 Estructura cristalina de los metales

Objetivos Objetivos

Al termino de la clase, el estudiante debe ser capaz de:

Definir el estado cristalino de los metales, características y particularidades del mismo, así como las propiedades que se derivan de ellos.

Describir la cristalización de los metales puros y el mecanismo de cristalización, teniendo en cuenta las variables que lo afectan.

Metal líquido

Celda unitaria (0.1 nm)

Cristales

Policristales

Cristales sencillos

Solidificación

Cúbica centrada en el cuerpoCúbica centrada en las carasHexagonal compactadaAlotropismo

RedInperfeccionesDislocaciones

Redes cristalinas de los Redes cristalinas de los metalesmetales

Según la temperatura y la presión, cada elemento químico puede aparecer en la naturaleza en diferentes estados de agregación, o sea, en estado sólido, líquido o gaseoso.

Características del estado gaseoso:

Alto grado de desorden en los átomos y moléculas del elemento en cuestión.

Gran movilidad entre ellos.

Características del estado líquido:

Alto grado de desorden en los átomos y moléculas del elemento en cuestión.

Se nota un mayor acercamiento entre ellos y menor libertad para desplazarse entre sí.

Redes cristalinas de los metales Redes cristalinas de los metales (cont.)(cont.)

Características del estado sólido:

Las partículas elementales que forman el cuerpo, muestran una mayor agregación en relación con los otros estados de la materia, y ;

Posibilidad de desplazamiento de las partículas así como el cambio de posición de unas con respecto a otras, se encuentra muy limitado.

En los metales, el estado sólido se caracteriza por el máximo grado de ordenamiento de los átomos que los forman.


Al calentar un metal sólido, hasta una temperatura suficientemente alta, tiene lugar el paso del estado sólido al estado líquido. Este fenómeno esta relacionado con la absorción de cierta cantidad de calor por el metal que es llamado calor de fusión y además se produce siempre a temperatura constante.Al continuar elevando la temperatura del metal, ya en estado líquido, pasa al estado gaseoso, absorbiendo también cierta cantidad de calor que se conoce como calor de vaporización o ebullición. Por supuesto, el paso del metal del estado líquido al gaseoso también tiene lugar a una temperatura constante. Hay que señalar no obstante, que los cambios de estado tienen lugar a una temperatura fija y bien determinada en el caso de los metales puros.

BCC

BCC

FCC

BBC- Cúbica Centrada en el CuerpoFCC- Cúbica Centrada en la Cara

Figura 1. Curva de enfriamiento para el hierro puro.

Tiempo

T(°C)

Titanio líquido

Ti β

Ti α

BCC

HCP

882

1 667

Figura 2. Curva de enfriamiento para el titanio

Material Material ProduccióProducción n mundial, mundial, ton ton métricamétrica

Punto Punto de de fusión, fusión, °C°C

DensidDensidad, ad, kg/mkg/m33

Modulo Modulo de de elasticidaelasticidad, 10d, 1033 MPaMPa

ResistividResistividad a 20° ad a 20° C, 10C, 10-8-8 ΩΩ.m.m

ConductiviConductividad dad térmica a térmica a 20° C, 20° C, J/m.s.°CJ/m.s.°C

Hierro Hierro 634 634 (acero)(acero)

1 5361 536 7 9007 900 210210 9.79.7 7575

Aluminio Aluminio 11.011.0 660660 2 7002 700 7070 2.72.7 240240

Cobre Cobre 7.07.0 1 0831 083 8 9008 900 122122 1.71.7 400400

Zinc Zinc 5.25.2 419419 7 1007 100 9090 5.95.9 115115

Plomo Plomo 3.63.6 327327 11 30011 300 1616 21.021.0 3535

Níquel Níquel 0.60.6 1 4551 455 8 9008 900 210210 6.86.8 9090

MagnesiMagnesio o

0.260.26 649649 1 7001 700 4444 4.04.0 160160

Estaño Estaño 0.20.2 232232 5 8005 800 4242 11.011.0 6565

Titanio Titanio 0.060.06 1 6701 670 4 5004 500 106106 6.86.8 2525

Plásticos Plásticos 43.343.3 900 – 2 900 – 2 200200

3 - 103 - 10 10101212 0.20.2

Cuadro 1. Datos selectos de producción y propiedades de los materiales de ingeniería (Schey, 1977 ).


De lo anterior se deduce que el paso del metal al estado líquido y posteriormente al gaseoso ocurre solamente mediante el suministro constante de una energía térmica la cual se consume en vencer las fuerzas internas que mantienen a los átomos en determinadas posiciones relativas.

Figura 2. Comportamiento del metal con la temperatura de homologación para el cobre y el plomo.

Tm- temp. de fusión del metal


A pesar de que el volumen del núcleo atómico y de los electrones que se desplazan alrededor del mismo es muy pequeño comparado con el volumen del átomo, y que el espacio en el interior del átomo está prácticamente vacío, a los efectos de simplificar las explicaciones posteriores, los átomos se consideran como esferas.

Según la colocación de los átomos todos los cuerpos sólidos se dividen en dos grupos:

o Cuerpos cristalinos, y

o Cuerpos no cristalinos o amorfos.

En los sólidos no cristalinos los átomos se encuentran ubicados en forma caótica, a distancias que varían entre las distancias de átomos. Ejemplos el vidrio, la cera, la resina, etc. Son isótropas, es decir sus propiedades físicas son iguales en todas las direcciones. En los sólidos cristalinos, por el contrario, los átomos se encuentran colocados de forma regular y ordenada en el espacio, de tal forma, que los mismos presentan una estructura interna que se repite en tres dimensiones. En estos se pueden encontrar propiedades físicas muy distintas en diversas direcciones, es decir el cuerpo cristalino es anisotrópico.


Red. Es una colección de puntos (puntos de red), ordenados en un patrón periódico de tal modo que los alrededores de cada punto de la red son idénticos. Este concepto se utiliza para describir los arreglos de átomos o de iones.

Se pueden seleccionar determinadas posiciones de los átomos, de tal forma que cierto grupo de ellos se encuentren contenidos en un plano, como en la figura 1.

Figura 1 Representación de los átomos en el plano: a) esferas; b) puntos; y c) malla o red.

Redes cristalinas de los Redes cristalinas de los metales (cont.)metales (cont.)

La red espacial de cualquier sólido está compuesta de gran número de redes elementales, dentro de las cuales los átomos se encuentran en un orden definido (figura 2).

Figura 2 Red espacial formada por la superposición de 4 planos atómicos.

Redes cristalinas de los Redes cristalinas de los metales (cont.)metales (cont.)

Definiciones Base o motivo. Es un grupo de uno o más átomos ubicados de forma determinada entre sí, y asociados con cada punto de red.

Estructura cristalina. Es la suma de la red y la base. Estructura cristalina = red + base

Celda unitaria. Es la subdivisión de una red que sigue conservando las características generales de toda la red.


Parámetro de la red. Es la distancia entre los núcleos de dos átomos vecinos que forman la red elemental, y se mide en Angstrom (1 Å = 10-8 cm).

1 nanómetro (nm)= 10-9 m = 10 -7 cm = 10 Å

1 angstrom (Å)= 0.1 nm = 10-10 m = 10-8 cm

Los parámetros de red que describen el tamaño y la forma de la celda unitaria, incluyen las dimensiones de las aristas de la celda unitaria y los ángulos entre éstas.

Figura Radios atómicos, en Angstrons, de algunos elementos de interés en metalurgia ferrosa

Redes cristalinas de los metales (cont.)Redes cristalinas de los metales (cont.)

El número de combinaciones posibles en que pueden aparecer los átomos para formar un tipo de red espacial dada, es igual a 14.

Para describir la red espacial de un cristal, se utiliza un sistema coordenado tridimensional, en el cual los ejes coordenados coinciden con tres aristas cualesquiera del cristal, que se intercepten en un punto y no estén en un mismo plano.

En la figura 3 se muestran los 14 tipos posibles de redes espaciales; las cuales pertenecen a 7 sistemas cristalográficos, los que se distinguen por presentar valores diferentes de los parámetros a, b y c y distintos valores de los ángulos , y .

No Sistema cristalinos

Descripción

1 Triclínico Tres ejes desiguales sin ser perpendiculares cualquiera dos de ellos. a ≠ b ≠ c; ≠ ≠ ≠90°

2 Monoclínico Tres ejes desiguales, uno de los cuales es perpendicular a otro de los dos restantes. a ≠ b ≠ c; = = 90° ≠

3 Ortorrómbico Tres ejes desiguales , mutuamente perpendiculares. a ≠ b ≠ c; = = = 90°

4 Romboedral (trigonal)

Tres ejes iguales no a ángulos rectos. a = b = c; = = ≠ 90°

5 Hexagonal Tres ejes iguales coplanares a 120° y un cuarto eje desigual perpendicular a su plano. a = b ≠ c; = = 90° = 120°

6 Tetragonal Tres ejes perpendiculares, solamente dos iguales.a = b ≠ c; = = = 90°

7 Cúbico Tres ejes iguales, mutuamente perpendiculares.a = b = c; = = = 90°

Cuadro 2. Los sistemas cristalinos (Avner , 1990).

Redes cristalinas de los metales (cont.)Redes cristalinas de los metales (cont.) Los 7 sistemas

mencionados, reciben los siguientes nombres:

1) Triclínico [figura 3 a)]: a ≠ b ≠ c; ≠ ≠

2) Monoclínico [figura 3 b) y c) ]: a ≠ b ≠ c; = = 90° ≠

3) Ortorrómbico [figura 3 d), e), f) y g)]: a ≠ b ≠ c; = = = 90°

4) Hexagonal [figura 3 h)]: a = b ≠ c; = = 90° = 120°

5) Romboédrico [figura 3 i)]: a = b = c; = = ≠ 90°

6) Tetragonal [figura 3 j) y k)]: a = b ≠ c; = = = 90°

7) Cúbico [figura 3 l), m) y n)]: a = b = c; = = = 90°

Figura 3 Tipos de redes espaciales: a) Triclínico; b) y c) Monoclínico; d), e), f) y g) Romboidal; h) Hexagonal; i) Romboédrico; j) y k) Tetragonal; l), m) y n) Cúbico.

Sistemas cristalinos o redes de Sistemas cristalinos o redes de BravaisBravais

Cuadro 3 Características de los siete sistemas de Cuadro 3 Características de los siete sistemas de cristales (Askeland, 2006)cristales (Askeland, 2006)

Estructura Ejes Ángulos entre ejes Volumen de la celda unitaria

Cúbica a = b = c

Todos los ángulos son igual a 90°

a3

Tetragonal a = b c


a2c

Ortorrómbica

a b c


abc

Hexagonal a = b c

Dos ángulos igual a 90° , un ángulo igual a 120°

0.866 a2c

Romboédrica

a = b = c

Todos los ángulos son iguales y ninguno a 90°

Monoclínico

a b c

Dos ángulos igual a 90°. Un ángulo () no es igual a 90°

abc sen

Triclínico a b c

Todos los ángulos son diferentes y ninguno igual a 90°

323 cos2cos31 a

coscoscos2coscoscos1 222 abc


Debido a que la mayoría de los metales cristalizan únicamente en los sistemas cúbico y hexagonal en lo adelante solo nos referiremos a estos y a la redes espaciales elementales de los mismos.

Del sistema cúbico consideraremos sólo 2 redes: la red cúbica centrada en las caras (FCC) y la cúbica centrada en el cuerpo (BCC) [figura 4 a) y b)].

La red cúbica centrada en las caras posee 14 átomos: 8 en los vértices y 6 en los centros de las caras. Debido a que cada átomo de los vértices es compartido por las 8 redes elementales vecinas y el de las caras es compartido por 2 redes, en realidad a cada red elemental cúbica centrada en las caras corresponde solo 4 átomos (1/8 * 8 + ½ * 6). La red cúbica centrada en el cuerpo posee solo 2 átomos (1/8 * 8 + 1) y la hexagonal posee 6 átomos [1/6* 12 + ½ * 2 + 3](la más compacta).


Figura 4 Redes del sistema cúbico:

I) Red cúbica centrada en el cuerpo: a) modelo de esfera; b) celda unitaria; y c) cristal simple con algunas celdas unitarias.

II) Red cúbica centrada en las caras: a) modelo de esfera; b) celda unitaria; y c) cristal simple con algunas celdas unitarias.

Número de átomos por celda Número de átomos por celda unitariaunitaria

(1 punto de red /8 vértices)(8 vértices /celda) = 1 punto de red/celda unitaria

Red cúbica simple (SC):Punto de red/celda unitaria = (8 vértices)(1/8) = 1 átomos

Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC):Punto de red/celda unitaria = (8 vértices)(1/8) + (1 centro)(1)= 2 átomos

Red cúbica centrada en las caras (FCC):Punto de red/celda unitaria = (8 vértices)(1/8) + (6 caras)(1/2)= 4 átomos

Número de coordinaciónNúmero de coordinación•Es el número de átomos que tocan a un átomo en particular, es decir la cantidad de vecinos más cercanos a ese átomo.

•Es el número de átomos vecinos que equidistan de cualquier átomo de la red.

El número de coordinación es un índice del grado de empaquetamiento o compacidad de la red. Mientras mayor es este índice más compacta es la red.

SC BCC 8

6

Factor de empaquetamientoFactor de empaquetamiento

Figura 5 Estructura cristalina en la hexagonal compacta: a) celda unitaria; b) cristal simple con algunas celdas unitarias.

Es la fracción de espacio de la celda unitaria que es ocupada por átomos.

unitariaceldaladevolumenátomodelvolumenceldaporatomosdeNo

EF))((

.


La red cúbica centrada en el cuerpo (BCC), tiene un número de coordinación igual a 8 y el grado de empaquetamiento es del 68% y se designa por C8 (C = sistema cúbico). Para la red cúbica centrada en las caras (FCC) el número de coordinación es 12 y el grado de empaquetamiento, al igual que en el hexagonal compacta, es del 74%.

En la tabla 4 se muestran las características de la red espacial elemental para algunos de los principales metales usados en la industria.

Estructura ao f( r) Átomos por celda

Número de coordinación

Factor de empaquetamiento

Ejemplos

Cúbica simple (SC)

ao = 2 r 1 6 0.52 Polonio (Po), α-Mn

Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

ao = 4 r/√3

2 8 0.68 Fe, Ti, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Zr, Cr

Cúbica centrada en las caras (FCC)

ao = 4 r/√2

4 12 0.74 Fe, Cu, Au, Pt, Ag, Pb, Ni

Hexagonal compacta (HCP)

ao = 2 rco ≈ 1.633ao

2 12 0.74 Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr, Cd

Cuadro 4 Características de las estructuras cristalinas de algunos metales (Askeland, 2006)

Relación entre el radio atómico y el parámetro Relación entre el radio atómico y el parámetro de la redde la red

rao 2

3

4 rao

2

4 rao

Red cúbica simple (SC):

Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC):

Red cúbica centrada en las caras (FCC):

Factor de empaquetamientoFactor de empaquetamiento

unitariaceldaladevolumenátomocadadevolumenceldaátomosdenúmero

empacadodeFactor))(/(

3

3)34

)(/4(

oa

rceldaátomosempacadodeFactor

2

4 rao

74.018)

2

4(

)34

)(4(

3

3

r

rempacadodeFactor

Ejemplo. Red cúbica centrada en las caras (FCC):

Es la fracción de espacio ocupada por átomos, asumiendo que son esferas duras que tocan a su vecino más cercano. La ecuación general es:

Densidad teóricaDensidad teórica

volumenmasa

AC NVAn

Donden- número de átomos por celdaA- peso atómicoVc- volumen de la celda unitariaNA – número de avogadro (6.023 X 1023 átomos/mol)

Tipo de red espacialTipo de red espacial Metales que poseen el Metales que poseen el tipo de redtipo de red

Parámetro de la red, Parámetro de la red, ÅÅ

Cúbica centrada en las carasCúbica centrada en las caras

Litio (Li)Litio (Li) 3.0393.039

Berilio (Be)Berilio (Be) 2.2252.225

Wolframio (W)Wolframio (W) 2.7392.739

Hierro (Fe)Hierro (Fe) 2.4812.481

Molibdeno (Mo)Molibdeno (Mo) 2.7252.725

Cromo (Cr)Cromo (Cr) 2.4892.489

Cúbica centrada en el cuerpoCúbica centrada en el cuerpo

Aluminio (Al)Aluminio (Al) 2.8622.862

Cobre (Cu)Cobre (Cu) 2.5562.556

Plomo (Pb)Plomo (Pb) 3.4993.499

Plata (Ag)Plata (Ag) 2.8882.888

Níquel (Ni)Níquel (Ni) 2.4912.491

Oro (Au)Oro (Au) 2.8342.834

Hexagonal compactaHexagonal compacta

Titanio (Ti)Titanio (Ti) 2.8902.890

Cadmio (Cd)Cadmio (Cd) 2.9792.979

Cobalto (Co)Cobalto (Co) 2.5062.506

Zinc (Zn)Zinc (Zn) 2.6642.664

Circonio (Zr)Circonio (Zr) 3.1703.170

Magnesio (Mg)Magnesio (Mg) 3.1963.196

Cuadro 5 Características de la red espacial de algunos metales ( Ordoñez, 1985).


Figura Deformación permanente (también llamada deformación plástica) de un cristal simple sometido a esfuerzo cortante: a) estructura antes de la deformación; y b) deformación permanente por desliz. El tamaño de la relación b/a influencian la magnitud del esfuerzo cortante requerido para causar el deslizamiento.

SISTEMAS DE DESLIZAMIENTO Un sistema de deslizamiento es la combinación de un plano y una dirección que se halla sobre el plano a lo largo del cual se produce el deslizamiento.

El Mecanismo de deslizamiento puede definirse como el movimiento paralelo de dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún plano (o planos).

El deslizamiento no se produce sobre un plano solamente, sino sobre pequeñas regiones de planos paralelos llamados bandas de deslizamiento o líneas de deslizamiento, dependiendo de sus espesores. Puesto que todas las líneas de deslizamiento está en grupos paralelos dentro de cada monocristal (cada grano), deben corresponder a una misma familia de planos (hkl) ocupados del grano particular. A partir de mediciones sobre especímenes de monocristales de orientaciones conocidas se puede determinar 1) los planos sobre los cuales se produce el deslizamiento y 2) la dirección de deslizamiento dentro de estos planos. Tales experimentos han revelado que en las estructuras FCC el deslizamiento siempre se produce sobre los planos {111} pero solamente en las direcciones <110>. Esto significa que si se produce el deslizamiento sobre el plano (111) será en alguna de las tres direcciones ± [101], ±[110], ±[011].Los cristales FCC poseen 12 sistemas de deslizamiento debido a que tienen cuatro grupos {111} y con tres direcciones <110> en cada una.

Figura Deformación de un cristal simple a tensión. a) en macroescala, b) en alta magnificación, y c) en la escala atómica.

Figura Direcciones y planos de deslizamiento en a) cúbica centrada en las caras (FCC), b) cúbica centrada en el cuerpo (BCC), c) hexagonal, relación grande c/a y d) hexagonal relación de la estructura pequeña c/a

X

Y

Z

X

Y

Z


Figura a) deformación permanente de un cristal simple bajo carga a tensión. Nótese que el plano de deslizamiento tienden a alinearse a sí mismo en la dirección de la fuerza de empuje. Este comportamiento puede ser simulado usando una cubierta de tarjetas con una banda de hule alrededor de éstos. b) emparejar a un cristal simple a tensión.

Monocristales. Cuando la disposición periódica y repetitiva de los átomos de un sólido cristalino es perfecta o se extiende a lo largo de toda la probeta sin interrupciones, el resultado es un monocristal. Todas las celdillas unidad están entrelazadas del mismo modo y tienen la misma orientación.

Materiales policristalinosLa mayoría de los sólidos cristalinos son un conjunto de cristales pequeños o granos; este tipo de material se denomina policristalino.


Figura Ilustración esquemática de las líneas de deslizamiento y bandas de deslizamiento en un cristal simple (grano) sometido a esfuerzo cortante. Una banda de deslizamiento consiste de un número de planos de deslizamiento. El cristal del centro de la ilustración superior es un grano individual rodeado por otros granos.

Características de la estructura de los cuerpos Características de la estructura de los cuerpos cristalinos, los metales y sus propiedades cristalinos, los metales y sus propiedades

generalesgenerales Los metales se caracterizan por tener un tipo especial de enlace atómico, llamado frecuentemente enlace metálico. Es sabido que un átomo consta de un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual giran los electrones de carga negativa.

Los electrones de la capa externa del átomo, los llamados electrones de valencia, están unidos al núcleo con menos firmeza que los electrones de las capas interiores, de tal modo, que puede considerarse que estos electrones exteriores o de valencia, no pertenecen realmente a ningún átomo en particular, sino al conjunto de átomos del cuerpo metálico. Dichos electrones forman una nube o gas electrónico que se desplaza libremente.


generales (cont.)generales (cont.)

De esta manera, un cristal metálico puede considerarse como un conjunto de iones positivos, colocados en los puntos de la red y rodeados por la llamada nube electrónica.

El enlace metálico, se debe a la interacción entre los electrones libres y los iones. Estos atraen a los primeros, para formar de ese modo el enlace entre ellos.

Los metales constituyen las 2/3 partes de todos los elementos conocidos.

Diferencias entre los metales y los no metalesDiferencias entre los metales y los no metales

Los óxidos de metales forman anhídridos de las Los óxidos de metales forman anhídridos de las bases, mientras los no metales forman anhídridos de bases, mientras los no metales forman anhídridos de los ácidos.los ácidos.

Gran conductividad térmica y buena conductividad Gran conductividad térmica y buena conductividad eléctrica, lo que se puede explicar por el movimiento eléctrica, lo que se puede explicar por el movimiento de los electrones libres de valencia (gas electrónico).de los electrones libres de valencia (gas electrónico).

Intenso brillo, lo que significa que posee gran Intenso brillo, lo que significa que posee gran capacidad para reflejar la luz.capacidad para reflejar la luz.

Considerable susceptibilidad para los tratamientos Considerable susceptibilidad para los tratamientos plásticos, debido a su capacidad para cristalizar en plásticos, debido a su capacidad para cristalizar en sistemas de gran número de planos de simetría.sistemas de gran número de planos de simetría.

Buenas propiedades mecánicas, lo cual está Buenas propiedades mecánicas, lo cual está relacionado generalmente con su elevada relacionado generalmente con su elevada temperatura de fusión.temperatura de fusión.

Buena fluidez, o sea, gran capacidad para llenar, en Buena fluidez, o sea, gran capacidad para llenar, en el estado líquido los moldes de fundición, con vista a el estado líquido los moldes de fundición, con vista a la obtención de gran variedad de formas. Esto se la obtención de gran variedad de formas. Esto se debe a la poca viscosidad de los metales en el estado debe a la poca viscosidad de los metales en el estado sólido. sólido.



Desde luego que para la industria de la electrónica, la más importante de las propiedades antes mencionadas es la conductividad eléctrica; en la industria química, la conductividad térmica; mientras que en la industria de la construcción de maquinarias las características más preciada en los metales son sus propiedades mecánicas y su capacidad para la deformación plástica, así como también su buena fluidez.

Los metales puros se utilizan sobre todo en la industria electrónica y en la química; mientras en la industria de la construcción de maquinarias se utilizan con más frecuencia las llamadas aleaciones metálicas, las cuales son uniones de metales diferentes o de metales con no metales y que presentan características metálicas.


generales (cont.)generales (cont.)La poca aplicación de los metales puros en la industria de la construcción de maquinaria se debe, a que estos tienen menor resistencia y menor dureza que las aleaciones. Además de esto último, en el estado líquido presentan cierta tendencia (algunas veces considerable) a la absorción de gases, como el N4, H2, O2, etcétera, los cuales se disuelven en el metal líquido. Al solidificarse el metal, queda siempre cierta cantidad de gas en forma de burbujas, dando lugar a la porosidad por gas, disminuyendo la calidad de la pieza fundida.

En comparación con las aleaciones, los metales puros tienen peor maquinabilidad (se resisten al corte mediante el arranque de viruta), debido a su blandura y plasticidad, lo que ocasiona la adherencia de la viruta arrancada al filo de la herramienta de corte, dificultando el proceso de maquinado.



Como ya se mencionó, una de las características más preciada en la mayoría de los metales, es su capacidad para deformarse plásticamente, bajo la acción de esfuerzos.

Esta característica está estrechamente relacionada con el tipo de red cristalina en que cristaliza un metal dado. Por ejemplo, los metales que cristalizan en el sistema regular con red cúbica centrada en las caras o en el cuerpo, se deforman plásticamente con facilidad en caliente y algunos inclusive en frío. A estos metales pertenecen el aluminio, el calcio, el hierro , el cobalto , el cobre, la plata, el platino, el oro, el plomo, el litio, el sodio, el potasio, el titanio , el cromo , el vanadio, el hierro , el circonio , el molibdeno, el bario y el wolframio .


generales (cont.)generales (cont.)Algunos de ellos, sin embargo, son plásticos únicamente cuando presentan alta pureza. El titanio , el vanadio, el cromo y el circonio son muy frágiles y no se dejan trabajar plásticamente con muy pequeño contenido de impurezas.

Los metales que cristalizan en el sistema hexagonal también son plásticos, pero en menor grado que los antes citados y solo se deforman plásticamente en caliente. A este grupo pertenecen el berilio, el magnesio, el titanio , el cobalto , el níquel , el zinc, el circonio y el cadmio.

Los metales que cristalizan en el sistema cúbico, pero tienen una red cristalina muy compleja, como el manganeso , el estaño (gris) y el germanio, o aquellos que cristalizan en el sistema romboédrico, como el bismuto y el antimonio, son frágiles y no se dejan trabajar plásticamente.



Los metales de más elevada plasticidad son los más empleados como elementos de aleación principales, o sea, aparecen en la aleación en mayor porcentaje que los demás constituyentes. Aquellos metales menos plásticos e inclusive frágiles, se utilizan como elementos de aleación auxiliares.

Por supuesto, los elementos de elevada plasticidad pueden aparecer también como componentes auxiliares en la aleación, aun en el caso en que el aleante principal sea otro metal de elevada plasticidad.

Otra característica típica de los metales es la llamada anisotropía (textura), o sea, la variación de las propiedades físicas y mecánicas del metal, cuando se miden en distintas direcciones.

Figura Medición de la anisotropía en pruebas a tensión. a) definición de la deformación, b) definición de la dirección de la prueba.

a) b)

Figura Variación del valor de r en la deformación de láminas de estructura cristalina hexagonal. a) deslizamiento basal con alta relación c/a, y b) deslizamiento prismático con relación baja c/a


generales (cont.)generales (cont.)Por, ejemplo en experimentos realizados con muestras de cobre se ha demostrado que la resistencia a la tracción t, medida en distintas direcciones varía desde (137 – 343 MPa), 14 a 35 kg/mm2, y el alargamiento relativo δ oscila en 10 y 55%. De igual manera, se han observado variaciones en la conductividad térmica y eléctrica.

No obstante, a causa de que el metal está compuesto por gran número de cristales orientados de forma arbitraria, las propiedades de un cuerpo policristalino son prácticamente iguales en todas direcciones. Esto significa que el cuerpo es casi isótropo o estadísticamente isótropo. Sin embargo, algunos procesos de deformación plástica como la laminación, el estirado, etc., dan lugar a una orientación preferencial en los cristales y granos (agregado de cristales), los cuales siguen la dirección de la deformación.



Figura Deformación plástica de un grano idealizado en un espécimen sujeto a compresión (tal como ocurre en el rolado o forja de metales ): a) antes de la deformación; b) después de la deformación. Nótese la alineación de los limites de grano a lo largo de la dirección horizontal; este efecto es conocido como orientación preferencial.



Figura a) Ilustración esquemática de una grieta en una lámina metálica que ha sido sujetada a pandeo (causada por ejemplo, empujando una esfera metálica sobre la hoja). Nótese que la orientación de la grieta con respecto a la dirección del rolado de la hoja; esta hoja es anisotrópica. b) hoja de aluminio con una grieta (línea vertical obscura en el centro) desarrollada en una prueba de pandeo; la dirección de rolado de la hoja fue vertical.



En este tipo de estructura, que se conoce también como textura, se manifiesta la anisotropía de las propiedades. Por ejemplo, en una barra laminada en frío la resistencia a la tracción medida a lo largo de su eje longitudinal, difiere de la que se obtiene medida transversalmente.

La anisotropía, en resumen, es una característica muy importante para la técnica y es una consecuencia directa de la distribución ordenada de los átomos en la red.



Figura Ilustración esquemática de los efectos de recuperación, recristalización y crecimiento del grano en propiedades mecánicas y en la forma y tamaño del grano. Nótese la formación de un nuevo grano pequeño durante la recristalización.

Fuerza

Recuperación

Procesos Procesos T/TT/Tmm

Trabajo en fríoTrabajo en frío < < 0.30.3

Trabajo de Trabajo de templadotemplado

0.3 – 0.50.3 – 0.5

Trabajo en Trabajo en calientecaliente

>> 0.6 0.6

Tabla Rango de temperatura homologa de varios procesos.

FUENTE: Kalpakjian, 2001 T- temperatura de trabajo

Tm – temperatura de fusión

Cristalización de los metales purosCristalización de los metales puros

Los metales en el estado líquido, se caracterizan por tener átomos en un cierto estado desordenado, pero diferente del caos observado en los átomos de los gases, en los cuales dichos átomos se mueven continuamente en direcciones arbitrarias.

En el estado líquido, puede observarse cierta organización atómica, la cual se debe a que las fuerzas de interacción entre ellos limitan sus posibilidades de movimiento.

Durante el enfriamiento del metal puro en estado líquido, a determinada temperatura cercana a la de solidificación, ciertos grupos de átomos se unen, formando pequeños volúmenes de líquido o núcleos, los cuales ya presentan un orden cercano al del metal sólido.

Cristalización de los metales puros Cristalización de los metales puros (cont.)(cont.)

Figura Curvas de calentamiento y de enfriamiento de un metal puro: a) curva de calentamiento; b) curva de enfriamiento sin sobreenfriamiento; c) curva con sobreenfriamiento; d) curva con el lazo de sobreenfriamiento; e) curva de enfriamiento de un cuerpo amorfo.


Al alcanzar una determinada temperatura, todo el volumen de líquido se transforma simultáneamente en sólido y durante esta transformación la temperatura permanece prácticamente constante.

El paso del metal del estado líquido al sólido, durante el cual un sistema de átomos desordenado se convierte en un sistema atómico ordenado, recibe el nombre de cristalización, y la temperatura a la cual ocurre dicho proceso se llama temperatura de cristalización o solidificación (Ts)(ver figura 6).

El proceso de cristalización de los metales se representa generalmente mediante las curvas de enfriamiento, en las cuales aparecen las distintas temperaturas que toma el metal a través del tiempo. En la figura 6 aparece la curva de enfriamiento teórica para un metal puro hipotético.


Un punto notable de esta curva es el que caracteriza a la temperatura, a la cual tiene lugar la cristalización del metal. Otro aspecto importante en dicha curva es la longitud del segmento BC, que caracteriza la duración del proceso completo de cristalización.

Figura 6 Curva de enfriamiento ideal de un metal puro.

TS- temperatura de cristalización o de solidificación

A


Durante el enfriamiento del metal líquido, a medida que transcurre el tiempo disminuye la temperatura según la línea AB, hasta el momento en que comienza la solidificación al alcanzar la temperatura de cristalización Ts. El diagrama continúa con el segmento horizontal BC, indicando que la temperatura permanece constante en el tiempo. Esto se explica porque la pérdida de calor es compensada por la evolución del calor de cristalización. Una vez que toda la masa metálica ha pasado al estado sólido, de nuevo comienza a disminuir la temperatura del sólido, según el segmento CD.

El proceso antes descrito tiene un carácter puramente teórico.

En realidad el líquido se enfría sin cristalizar, hasta una temperatura Tr inferior a la de cristalización Ts (figura 7).


Figura 7 Curva de enfriamiento de un metal puro. La curva ABDE corresponde al enfriamiento ideal y la ABCDE al real.

Ts- Temperatura de cristalización

TR- temperatura de subenfriamiento o sin cristalización

Calor de cristalización


Más tarde, debido a la evolución del calor de cristalización, la temperatura se eleva, alcanzando de nuevo (dependiendo de la cantidad de metal) la temperatura Ts. La temperatura Tr se conoce como de subenfriamiento, y a la diferencia entre las de cristalización y subenfriamiento, se le llama grado de subenfriamiento (ΔT).

ΔT = Ts – Tr (1)

El grado de subenfriamiento tiene gran influencia en el proceso de cristalización, lo cual se demuestra cuando se analiza lo que sucede al alcanzar el metal la temperatura de cristalización.

Mecanismo del proceso de Mecanismo del proceso de cristalizacióncristalización

La cristalización consta de 2 etapas fundamentales:

Formación de núcleos primarios.

Crecimiento de los cristales a partir de dichos núcleos.

Ambos fenómenos transcurren simultáneamente.

En la figura 8 se da una representación esquemática de dichos fenómenos.

Figura 8 Representación esquemática de la cristalización.

Mecanismo del proceso de Mecanismo del proceso de cristalización (cont.)cristalización (cont.)

Figura Ilustración esquemática de las etapas durante la solidificación del metal fundido; cada pequeño cuadrado representa una celda unitaria. a) nucleación de cristales en lugares al azar en el metal fundido; nótese que la orientación cristalográfica de cada lugar es diferente. b) y c) crecimiento de los cristales en solidificación continua. d) metal solidificado, mostrando granos individuales y limite de granos; nótese los diferentes ángulos en el cual los granos vecinos se unen con otros.

Mecanismo del proceso de Mecanismo del proceso de cristalización (cont.)cristalización (cont.)Durante los primeros segundos del proceso se forman

varios núcleos de cristalización, los cuales crecen con cierta velocidad. Poco después surgen nuevos núcleos, mientras continúan creciendo los anteriores, y así transcurre el proceso hasta que finaliza el crecimiento de los últimos cristales.

Durante la cristalización se pueden observar dos fenómenos importantes:

Inicialmente el proceso transcurre con rapidez hasta que, aproximadamente en 50% del líquido está solidificado, después de lo cual se forman muchos menos núcleos y el crecimiento de los cristales transcurre con más lentitud.

Los cristales crecen de forma regular, mientras se encuentran rodeados de líquido; una vez que los mismos comienzan a tocarse entre sí, su forma se hace irregular, denominándose granos metálicos.


Los parámetros que caracterizan, de manera fundamental, el curso del proceso de cristalización, son:

La velocidad de formación de núcleos de cristalización vf (expresada mediante el número de nuevos núcleos, que se forman en la unidad de tiempo).

La velocidad de crecimiento de los cristales vc (expresada mediante el aumento de las dimensiones lineales de estos).

Ambos parámetros dependen del grado de subenfriamiento ΔTr, lo cual se muestra en la figura 9.


Figura 9 Influencia del subenfriamiento en la marcha de la cristalización: vc - velocidad de crecimiento de los cristales; vf - velocidad de formación de núcleos de cristalización.


A la temperatura teórica de cristalización vf y vc son iguales a cero y el proceso de cristalización no puede ocurrir. Tan pronto como el líquido alcanza algún subenfriamiento, comienza el proceso de cristalización y el incremento en los parámetros vf y vc.

Para valores elevados vc y pequeños valores de vf, lo cual tiene lugar con poco subenfriamiento, se forma un número pequeño de cristales de gran tamaño. Esta es la llamada estructura de grano grueso. Cuando la velocidad de crecimiento de los cristales (vc) es pequeña y la velocidad de formación de núcleos (vf) es grande (alto grado de subenfriamiento), entonces se forma un gran número de cristales de pequeño tamaño, siendo esta la estructura de grano fino. Las estructuras de grano grueso se caracterizan por poseer peores propiedades mecánicas que las de grano fino.

Figura Proceso de solidificación de un metal puro. a) solidificación frontal; b) microestructura resultante (granos columnares)

>Vc, <Vf Grano grueso (poco subenfriamiento)

<Vc, >Vf Grano fino (alto subenfriamiento)


Se ha demostrado que cuando se introducen determinadas sustancias en algunos metales, los mismos se comportan como elementos que promueven la formación de gran número de núcleos de cristalización, dando lugar a la obtención de estructuras de grano fino.

En la tecnología de la fundición de metales este proceso se emplea muy a menudo en determinadas aleaciones, y el mismo recibe el nombre de modificación o inoculación. Por ejemplo, con vista a la obtención de estructuras de grano fino, los aceros se inoculan con aluminio o titanio, mientras que las fundiciones grises se inoculan con ferrosilicio y los silumines (aleaciones de aluminio silicio) se modifican con sodio.


De igual modo, cuando los metales fundidos se vierten en moldes metálicos, se crean condiciones para la existencia de elevados grados de subenfriamiento, se promueve también altas velocidades de nucleación (vf) y se obtienen por tanto, estructura de grano fino.

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