Segundo Barroso Herrero gui Joaquín Ibáñez Ulargui
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA
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1UEDAN RIGUROSAMENTE PROHIBIDAS PROHIBIDAS SIN LA A U T O R IZ A C IÆ N E S C R IT A D E L O S T IT U L A R E S D E L #OPYRIGHT BAJO LAS SANCIONES ESTABLECIDAS E N L A S L E Y E S L A R E P R O D U C C IÆ N T O T A L O PA RC IA L DE ES TA OB RA PO R C UA LQ UI ER MEDIO MEDIO O PROCEDIMIENTO COMPRENDIDO LA REPROGRAFÁA Y EL TRATAMIENTO INFORM·TICO Y LA DISTRIBUCIÆN DISTRIBUCIÆN D E E JE M PL P L A R E S D E E L L A M E D IA N T E A L Q U IL E R O PR½STAMOS PËBLICOS 5NIVERSIDAD 5NIVERSIDAD .ACIONAL DE %DUCACIÆ N A $ISTANCIA A $ISTANCIA -ADRID
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3EGUNDO "ARROSO (ERRERO Y *OAQUÁN )B·ÅEZ 5LARGUI
)3 )3". ELECTRÆNICO
%DICIÆN DIGITAL FEBRERO DE
ÍNDICE
TEMA 1:
CIENCIA Y TECNOL CIENCIA TECNOLOGÍ OGÍA A DE LOS MATERIALES 1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Clasificación de los materiales 1.2.1. Materiales Materialesestructura estructurales les . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Materiales funciona funcionales les . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Competencia y líne líneas as futura futurass . . . . . . . . . . . . . . . . .
TEMA 2: ESTRUCTURA ATÓMICA Y MOLECULAR 2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estuctura atóm atómica ica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Estuctura 2.2.1. Estructura electrónica electrónica . . . . . . . . . . . . . . . . . Estructura nu nuclear clear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Estructura 2.2. 2. 2.3. 3. La tabla periódica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Electrones de valencia . . . . . . . . . . . . . . . . . Estructura molecu olecular lar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Estructura 2.3.1. Estados de la materia 2.3.2. Tipos de enlace enlaceinteratóm interatómico . . . . . . . . . . . . TEMA 3: ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . estructu cturas ras crista cristalina linass . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Tipos de estru 3.3. Índices de Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Determinac Determinación ión experim experimental ental de la estructura cristalina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Fuerzas Fuerzas interatóm interatómicas icas y módulo de Young . . . . . . TEMA 4:
CRISTALES REALES 4.1. Introducción 4.2. Defectos Defectospuntua puntuales les . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Defectos lineales. Dislocaciones . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Defectos 4.4. Defectos de superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 17 20 24 25 29 30 31 34 35 37 38 40 45 46 48 53 55
59 61 68
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INTRODUC INTRO DUCCI CI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 8
TEMA 5: PROPIEDADES MECÁNICAS 5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deformación depen dependiente diente y no dependiente 5.2. Deformación del tiempo 5.2.1. De Deform formación ación elásti elástica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Deform Deformación ación viscoelástica . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Deform Deformac ación ión plástica 5.2.4. Deform Deformación ación viscoplástica 5.2.5. 5.2 .5. Cas Casoo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Deformación Deformacióndepend dependiente iente del tiem tiempo po:: en ensay sayo o de fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Deformación no dependiente del ti tiem empo: po: ensayo de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Límite ite elástico 5.4.1. Lím 5.4.2. Re Resistencia sistencia máxim áxima a ................... 5.4.3. Ductilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4. Tenacidad Otros en ensayo sayoss mecá ecánico nicoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Otros 5.5.1. Ensayo de compresión 5.5.2 Ensayo de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3. Ensayo de torsión 5.5.4. Ensayo de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Tensión y defo deform rmación ación reales . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8. Estabilidad de la deformación en las cu curva rvass de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 6: ALEACIONES 6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Metales y aleaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Soluc Solucion iones es sólida sólidass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Difusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1. Mecanismos de difusión . . . . . . . . . . . . . . . Análisis lisis cuan cuantitativ titativo o de la difusión . . . . . . . 6.4.2. Aná 6.4.3. Ca Cam minos inospreferenc preferenciales iales para la difusión . . .
73 74 75 76 77 80 87 88 91 92 93 94 96 99 103 105 109 111 112 113 114
TEMA 7: MECA MECANIS NISMO MOS S DE DEFORMACIÓN Y REFORZAMIENTO 7.1. Introducción 7.2. Deformación de monocristales . . . . . . . . . . . . . . . . 115 7.3. Deformación de po policristales: licristales: reforzam reforzamiento iento por fronteras de grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.4. Reforzamiento por soluc solución ión sólida . . . . . . . . . . . . 121
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INTRODUC INTRO DUCCI CI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 9
7.5. Reforzamiento por dispersión de partículas . . . . . 122 7.6. Endurecimiento por deformación . . . . . . . . . . . . . 124 TEMA 8: DIAGRAMAS DE FASE 8.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Sistemas de aleación de un componente . . . . . . . . 8.3. Regla de la lass fas fases es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4. Construcción de los diagramas de fase fase . . . . . . . . . TEMA 9: CLASIFICACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE FASE 9.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2. Grupo primero 9.3. Gru Grupo po segu segundo ndo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grupo po terce tercero ro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4. Gru 9.5. Diagramas de fases con compuestos y fases intermedias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6. Gru Grupo po cua cuarto rto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grupo o qu quinto into . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7. Grup 9.8. R Reaccio eacciones nes invariantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.9. Diagramas de fase ternarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 10: 10: DIAGRAM DIAGRAMA A DE FASE HIERRO-CARBONO 10.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2. Diagra Diagrama mahierro-ca hierro-carbon rbono o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . fundicione undicioness . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1. 10.2 .1. Acero Aceross y f 10.3. Constituyentes de equilibrio de los aceros 10.3.1. Ferrita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2. Cementita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3. Perlita acero ceross tem templado plados. s. 10.4. Constituyentes de los a austen stenita ita fue fuera ra Transformaciones de la au de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1 10 .4.1.. Austenit Austenita a 10.4.2. Martensita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.3. Bainita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.4. Diagramas de transformación isotérmica. Otros tros con constituyen stituyentes tes de los aceros . . . . . . . . . . . . 10.5. O
127 127 129 130 132 139 140 145 151 15 1 156 158 159 162 165 166 169 16 9 172 172 174 17 4
176 17 6 177 177 179 181 185
TEMA 11: TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS 11.1. Introducción 11.2. Temperatura y tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 11.3. Clasificación de los tratamientos térmicos . . . . . 188 Tratam amientos ientos térmicos de los aceros . . . . . . . . . . 190 11.4. Trat
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INTRODUC INTRO DUCCI CI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 10
11.5. Recocido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . austenizac ización ión isotérmicos isotérmicos . 11.5.1. Recocidos de austen 11.5.2. Recoc Recocidos idos subcríticos . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6. Normalizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7. Temple de aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7.1. Templabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . enfriamiento iento isotérm isotérmico ico . . . 11.7.2. Temple con enfriam 11.7.3. Defectos q que ue se producen en el temple . . 11.7.4. Temple superficial del acero . . . . . . . . . . 11.8. Revenido de aceros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.1. Fragilidad de Revenido . . . . . . . . . . . . . .
192 195 19 5 196 197 198 201 204 205 206 208 210
TEMA 12: ALEACIONES FÉRREAS 12.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Aceros al carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3. 12 .3. Aceros Aceros aleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4. Clasificación de los a acero ceross alead aleados os . . . . . . . . . . . 12.5. Aceros de construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6. 12 .6. Aceros micro microaleados aleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
213 215 217 221 222 228
TEMA 13: 13: ACEROS ACEROS DE ALTA ALEACI ALEACIÓ ÓN 13.1. Introducción 13.2. 13 .2. Aceros inox inoxidables idables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1. Efecto de los elementos de aleación . . . . 13.2.2. Ac Aceros erosinoxida inoxidables bles martensíticos . . . . . . 13.2.3 13. 2.3.. Acero Aceross inox inoxidables idables ferríticos 13.2.4. Acero ceross ino inoxida xidables bles au austen steníticos íticos . . . . . . . . 13.2.5 13. 2.5.. Aceros inoxidab inoxidables les endurecibles endurecibles po porr precipitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.6. Superaleaciones 13.3. Aceros para herram herramientas ientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.1 13. 3.1.. Clasificación de los aceros para herram herramientas ientas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.2 13. 3.2.. Aceros poc poco o templables templables . . . . . . . . . . . . . . 13.3.3 13. 3.3.. Aceros tem templables plables o indeformables . . . . herram rramien ientas tas par para a matric atrices es 13.3.4. Aceros de he en trabajos en frío 13.3.5. Aceros de he herram rramien ientas tas par para a matric atrices es en trabajos en caliente . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.6. Ace Aceros rosrápido rápidoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 14: FUNDICIONES 14.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231 232 234 236 238 239 240 241 242
243 244 247 24 7
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INTRODUC INTRO DUCCI CI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 11
14.2. Clasificación de las fundiciones elemento entoss alean aleantes tes . . . . . . . . . . . . 14.3. Efecto de los elem Fundiciones ndiciones blancas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4. Fu Fund ndicion iciones es grises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5. Fu 14.6. Otras fundiciones 14.6.1. Fundiciones maleables . . . . . . . . . . . . . . 14.6.2. Fundiciones dúctiles . . . . . . . . . . . . . . . 14.6.3. Fundiciones aleadas . . . . . . . . . . . . . . . .
. 250 . 252 . 255 . 258 . 259 . 260
TEMA 15: ALEACIONES DE ALUMINIO I 15.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2. Propiedades del aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3. Obtención del aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4. Elem lemento entoss alean aleantes tes del aluminio . . . . . . . . . . . . . 15.5. Mecanismos de endurecimiento en las aleaciones de aluminio 15.5.1. Endurecimiento por precipitación . . . . . 15.5.2. Endurecimiento por soluc solución ión sóli sólid da 15.5.3. Endurecimiento por deformación . . . . . . 15.5.4. Endurecimiento por reforzamiento . . . . aleacion ciones es de 15.6. Clasificación y designación de las alea aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 16: ALEACIONES DE ALUMINIO II 16.1. Aleaciones de forja no endurecibles por tratamiento tratamien to térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2. Aleaciones de forja en endu durecib recibles les por tratamiento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3. Aleaciones de alu alum minio par para a mold oldeo eo . . . . . . . . . . 16.3.1. Series 3xx y 4xx. Aleaciones de Al-Si para moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . aluminio iniopara para 16.3.2. Otras aleaciones de alum moldeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1. Magnesio: y obtención . . . .O. . . . . . TEMA 17: ALEACIONES DEpropiedades Y DE TITANI MAGNESIO 17.2. Elem lementos entos alea aleantes ntes del magnesio . . . . . . . . . . . 17.3 17 .3.. Clasif Clasificac icación ión y designación de las alea aleacion ciones es de magnesio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4 17 .4.. Aleac Aleacion iones es de m magn agnesio esiopara para mold oldeo eo . . . . . . . . 17.5 17 .5.. Aleac Aleacion iones es de m mag agne nesio siopa para ra fo forja rja . . . . . . . . . . 17.6. Titan Titanio: io: pro propied piedade adess y obtención . . . . . . . . . . . .
263 264 265 266 268 274 275 276
281 28 1 283 283 288 28 8 289 28 9 291 29 1 293 295 296 297 300 302
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INTRODUC INTRO DUCCI CI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 12
17.7. Elem lemento entoss alean aleantes tes del titanio . . . . . . . . . . . . . . 17.8. Transformaciones de fase de las aleaciones de titanio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.9. 17 .9. Clas Clasificac ificación ión de las aleaciones de titanio . . . . . 17.10.. Aleaciones de titanio al 17.10 alfa fa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.11.. Aleaciones de titanio beta 17.11 17.12.. Aleaciones de titanio alfa + beta . . . . . . . . . . . . 17.12
TEMA 18: ALEACIONES DE COBRE COBRE Y DE DE NÍQUE NÍQUEL L 18.1. Cob Cobre: re: propied propiedades ades y obtención . . . . . . . . . . . . . . 18.2. Aleaciones de co cobre: bre: con consideracio sideraciones nes gene generales rales . 18.3. Aleaciones Cu-Zn (latones) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.1. Latones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.2. Latones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.3. Latones + . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4. 18 .4. Aleac Aleacione ioness CuCu-Sn Sn (br (bronc onces) es) . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5. Cuproaluminios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5.1. Cuproalum Cuproaluminios inios monofási monofásicos cos . . . . . . . . . 18.5.2. Cuproaluminios bifásicos . . . . . . . . . . . . 18.6. Cuproníqueles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.7. Aleaciones de cobre en endure durecibles cibles por precipitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.8. Níquel 18.9. 18 .9. Aleaciones base níquel níquel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . níque uell resis resisten tentes tes a 18.9.1. Aleaciones de níq la corrosión (no envejecibles) . . . . . . . . . níquell resiste resistente ntess a fluencia 18.9.2. 18.9 .2. Aleacion Aleaciones es de níque (envejecibles) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......S ..................... Introducción MATERIALES TEMA 19: 19.1. CERÁMICO 19.2. Estructura de las cerámicas 19.2.1. Estructura de cerámicas con enlace iónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.2. Estructura de cerámicas con enlace covalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.2.1. Estructuras cristalinas de la sílice y sili silicato catoss . . . . . . . . . 19.3. Diagramas de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4. Propiedades mecánicas 19.4.1. 19 .4.1. Re Resistenc sistencia ia mecá ecánica nica . . . . . . . . . . . . . . 19.4.2. Tenacidad a la fractura . . . . . . . . . . . . 19.4.3. Propiedades abrasivas . . . . . . . . . . . . .
304 308 309 310 311 313 314 314 315 317 31 7 318 31 8 319 31 9 320 324 325 326 327 329 330 331 332
. 335 . 338 . 344 . 347 . 352 . 354 . 356 . 359
13 NDICE
INTRODUCCI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 13
Propiedades térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propiedades eléctricas y magnéticas . . . . . . . . . Procesado de los materiales cerámicos . . . . . . . Vidrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.8.1. Temperatura de transición vítrea . . . . . 19.9. Viscosidad de los vidrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.10. Composición y estructura de los vidrios . . . . . . 19.11. Procesado de los vidrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.5. 19.6. 19.7. 19.8.
TEMA 20: MATERIALES POLIMÉRICOS 20.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2. Moléculas de hidrocarburos . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3. Polimerización: meros, monómeros y polímeros. 20.4. Estructura de los polímeros . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5. Clasificación general de los polímeros . . . . . . . . . 20.6. Polímeros termoplásticos 20.6.1. Propiedades mecánicas y térmicas de los polímeros termoplásticos . . . . . . . . . . . . . 20.6.2. Tipos de termoplásticos . . . . . . . . . . . . . . 20.6.3. Procesos de fabricación de los termoplásticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.7. Polímeros termoestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.7.1. Tipos de plásticos termoestables . . . . . . . 20.7.2. Procesado de los plásticos termoestables . 20.8. Elastómeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.8.1. Vulcanización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.8.2. Tipos de elastómeros . . . . . . . . . . . . . . . . TEMA 21: MATERIALES COMPUESTOS 21.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Clasificación de los materiales compuestos . . . . 21.3. Propiedades mecánicas 21.3.1. Módulo elástico de MC reforzados con fibra continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.2. Resistencia mecánica de MC reforzados con fibra continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.3. Resistencia mecánica de MC reforzados con fibra discontinua . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3.4. Mecanismo de fractura. Tenacidad . . . . . 21.3.5. Propiedades mecánicas de MC reforzados con partículas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4. Características diferenciales y procesado de los distintos tipos de materiales compuestos . . . . . . .
359 360 362 364 366 367 368 370 373 375 376 380 388 389 393 400 402 403 405 406 408 409 411 412 413 416 419 421 423 425
14 NDICE
INTRODUCCI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 14
21.4.1. Materiales compuestos de matriz polimérica (MCMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4.2. Materiales compuestos de matriz metálica (MCMM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4.3. Materiales compuestos de matriz cerámica (MCMC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.5. Materiales compuestos macroscópicos 21.5.1. Materiales compuestos laminares . . . . . . 21.5.2. Hormigón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
426 429 430 431 433
21.6.1.aEstructura de la madera . . . . . . . . . . . . . 436 21.6. Mader 21.6.2. Propiedades mecánicas de la madera . . . 438
BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
441
GLOSARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
443
PRÓLOGO
Este libro, titulado «Introducción al Conocimiento de los Materiales», se edita dentro de la colección «Cuadernos de la UNED«, y como tal ha sido diseñado y escrito como instrumento de enseñanza, con destino a aquellos alumnos que deban cursar estudios relacionados con los materiales.
El interesado en estudiar la ciencia de los materiales se encuentra con una bibliografía normalmente muy dispersa, consecuencia de la amplitud y del carácter interdisciplinar de dicha ciencia. Esta metodología conlleva el peligro de obtener una visión compartimentada de los diversos tipos de materiales existentes. Al reunir en un solo libro los conocimientos básicos sobre materiales, enfocados desde una óptica común, resulta más fácil conseguir una visión global de los mismos. En este sentido, este librotrata de cubrir la escasez de textos que, sobre materiales, existen en el mercado. Con el fin de acentuar la interconexión existente entre los distintos materiales, se ha tratado de seguir una metodología basada en el conocimiento de la microestructura y su relación con las propiedades de los materiales. Por ello, este texto puede servir de ayuda, aunque a diferentes niveles, a los alumnos que cursen asignaturas relacionadas con el conocimiento de los materiales. Al ir dirigido, fundamentalmente, a alumnos de ingeniería, se ha creído oportuno incidir en especial en los materiales estructurales, razón por la que las propiedades mecánicas ocupan un lugar preeminente. En concreto, existen diferentes cursos, en distintos ámbitos, para cuyos alumnos este libro puede ser de utilidad. En primer lugar, estarían aquellos alumnos matriculados en cursos relacionados con los materiales, dentro de los programas de extensión universitaria. Para estos alumnos, este textosupone una base más que suficiente para, a partir de ella, estar en disposición de abordar con mayor las de materias específicas profundidad cada curso.
16
INTRODUCCI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES
Este texto tendrá especial interés para los alumnos de la asignatura «Fundamentos de ciencia de los materiales» que se impartirá en el primer curso, dentro del nuevo plan de estudios, de la carrera de Ingenieros Industriales de la UNED. El programa desarrollado en este texto se corresponde con las directrices dadas por el Ministerio de Educación y Cienciapara la elaboración del nuevo plan de estudios.
El libro se divide en tres partes y desarrolla su contenido en 21 temas, distinguiéndose dos tipos de texto, sombreado y sin sombrear, correspondiente este último a la materia que se considerafundamental. La primera parte aborda los conocimientos básicos de los materiales. Comienza por el estudio de la estructura de los sólidos, partiendo de la configuración atómica hasta llegar a los cristales reales. Se estudian, igualmente, las propiedades mecánicas, es decir, los distintos parámetros que definen el comportamiento mecánico de los materiales, así como los principales ensayosnecesarios para su obtención. Se ha tratado de poner de manifiesto la influencia decisiva que, sobre las propiedades mecánicas, tienen las características intrínsecas del material (microestructura) y extrínsecas al mismo (temperatura, etc.). En la segunda parte se inicia el estudio de los sistemas de aleación y de los tratamientos térmicos, como medios de modificar la microestructura, y por tanto las propiedades de los materiales. Estos conocimientos se aplican a las aleaciones férreas, principalmente aceros, que hoy por hoy siguen constituyendo el grupo de metalesmás importante. La tercera parte corresponde al estudio de las aleaciones metálicas no férreas más importantes, tanto ligeras (aluminio, magnesio y titanio) como no ligeras (cobre y níquel), concluyendo con tres temas dedicados a los materiales cerámicos, poliméricos y compuestos. A lo largo del texto hay palabras en cursiva, que corresponden a términos y conceptos que no se definen en el momento de su primera aparición. Con el fin de mejorar la continuidad durante la lectura del libro, al final del mismo figura un glosario con el significado de estos términos ordenados por orden alfabético, incluyendo su traducción al inglés.
TEMA 1 CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES
1.1.
INTRODUCCIÓN
tanto el conocimiento a nivel funda La C I E N C IA D E L O S M A T E R I A L E S trata mental de los distintos materiales como el de sus procesos de fabricación, así como sus aplicaciones. Por otro lado, la ingeniería de materiales se relaciona con el conocimiento aplicado de los materiales, que posibilita la conversión de los mismos en productos de mercado, no existiendo una frontera nítida que la separe de la ciencia de materiales. Hasta hace pocas décadas, hablar de materiales de interés tecnológico era equivalente a hablar de M E T A L E S . Con la sustitución de los materiales tradicionales CER·MICOS C O M P U E S T O S Y P O L I M ½ R I C O S por otros nuevos pertenecientes a esas mismas categorías, los metaleshan perdido parte de su preponderancia, y tal y como se muestra en la figura 1.1 dicha tendencia continuará en los próximos años.
En la figura 1.1 se puede observar cómo 10.000años antes de Cristo la importancia relativa de los metales (anchura en ese eje) era mínima y sólo el oro era conocido, mientras que la de los polímeros y cerámicos era importantísima por la utilización, fundamentalmente, de pieles (polímero) y piedras (cerámico). Así mismo, se observa el enorme crecimiento de los metales, que alcanzaron un máximo hacia 1950, para ir perdiendo importancia relativa hasta nuestros días. Por otra parte, los polímeros sufrieron un descenso progresivohasta 1950, pero desde entonces han ido aumentando su importancia relativa, primero con la aparición de los P O L I ½ S T E R E S y después con la de los polímeros de alta temperatura. Por otra parte, los materiales compuestos están aumentando su importancia relativa con la aparición de los CER·MICOS COMPUESTOS . Por último, los cerámicos, que empezaron teniendo una gran importancia,
S E L A I R E T A M E D O T N E I M I C O N O C L A N I C C U D O R T N I
Oro
Cobre
METALES
Bronce Hierro
Aceros POLÍMEROS a v i t a l e r a i c n a t r o p m I
Fibras
Aleaciones ligeras
Resinas
Baquelita
Super aleaciones
COMPUESTOS Papel
Piedra Refractarios
Epoxís
Nylon
0
1.000 1.500 1.800
MCMC
MCMM
Cementos
10.000 a.C. 5.000 a.C.
Polímeros de alta temperatura Poliésteres
Barro
CERÁMICOS
8 1
Nuevas aleaciones metálicas
MCMP Cerámicas tenaces Pirocerámicos
1.900
1.940 Fecha
FIGURA 1.1.
1.960
1.980
1.990
2.000
2.010
2.020
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 19 19 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
pasaron por un mínimo, coincidente con el máximo de los metales, para después ir aumentando de un modo lento pero con buena proyección de futuro, debido a las continuas mejoras conseguidas en su T E N A C I D A D . Otra característica importante, que está posibilitando la evolución de los materiales, se refiere a la aparición de nuevos PR O C ES O S D E S Á N T ES IS Y PR O C E SA D O . Un ejemplo significativo es la T E C N O L O G Á A P U L V I M E T A L Ë R G I C A que es una de las que posibilitan procesos de SOLIDIFICAC IÆ N R·PIDA, permitiendo mezclas de materiales (metálicos, compuestos y cerámicos), con propiedades imposibles de conseguir por las vías tradicionales. Entre los ejemplos más recientes cabe mencionar la nanotecnología y la técnica de aleado mecánico.
Por lo tanto, son dos los caminos más importantes que conducen a la síntesis de un nuevo material, descartando obviamente la buena suerte o la equivocaciónoportuna que conducen a resultados inesperados en algunos casos. Uno de ellos consiste en tratar de encontrar nuevos materiales añadiendo otros elementos que entren en la composición de los mismos. El otro camino se basa en la utilización de nuevas tecnologías aplicadas a materiales ya existentes. Normalmente sucede una combinación de ambas vías. Ahora bien, el camino no termina con la síntesis del material deseado sino que en realidad es el comienzo de un largo proceso de desarrollo y caracterización. Así, es preciso caracterizar el material en múltiples aspectos, como: E ST R U C T U R A A T Æ M I C A M I C R O E S T R U C T U R A P R O P I E D A D E S M E C · N IC A S Y F Á S I C AS etc. Factores adicionales, tales como reproducibilidad de las propiedades, ausencia de efectos de ENVEJECIMIEN TO y desarrollos de procesos de fabricación, no son menos importantes. Todos estos factores necesitan de una investigaciónexhaustiva antes de que el producto alcance pleno desarrollo comercial.
Normalmente, la aparición de un nuevo material se debe al empleo de un nuevo proceso (por ejemplo, solidificaciónrápida) y/o a la demanda de nuevas aplicaciones (como es el caso de las S U P E R A L E A C I O N E S para empleo a altas temperaturas). No obstante, a veces no sucede así, como es el caso de las A L E A C IO N E S C O N M E M O R I A D E F O R M A , que cuando se descubrieron no tenían ninguna aplicación inmediata, y tuvo que transcurrir cierto tiempohasta que se empezaron a aplicar en el área de los S E N S O R E S . Al final, el factor que será determinante en el grado de aceptación del material y su futuro alcance es el económico, que suele estar ligado a que el maun uso innovador. terial tenga
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 20 20 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
La aparición de nuevos materiales no debe suponer despreciar la aportación de los materiales tradicionales que, merced a nuevos desarrollos y procesos de fabricación, han probado su adaptabilidad siendo insustituibles por otros materiales «nuevos». Además, hay que tener en cuenta que, en general, muchos de los denominados nuevos materiales suelen limitarse a áreas restringidas, debido a que suelen ser más caros.
1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES Para poder calibrar la importancia de cada material y deducir las tendencias futuras es imprescindible un conocimiento de los mismos, cuestión que se realizará a lo largo de este libro. No obstante, sí es posible, a partir de conocimientos generales, clasificar los materiales existentes en función de sus propiedades, lo que en primera instancia determinará las tendencias de uso. Tradicionalmente los materiales se han dividido en dos grandes grupos: los estructurales y los funcionales. No obstante, la división no está perfectamente delimitada, y así existen muchos casos en los que materiales estructurales deben cumplir tareas funcionales y viceversa.
1.2.1.
Materiales estructurales
Son aquellos en los que sus principales aplicaciones se basan en sus propiedades mecánicas, siendo por tanto los materiales más importantes en ingeniería. Tanto por el volumen de producción como desde el punto de vista económico la importancia de este grupo es muy grande. La clasificación más sencilla de estos materiales se refleja en la figura 1.2, y responde básicamente a una diferenciaciónnatural, que tiene en cuenta sus aplicaciones, además de la tradición, la composición y el procesado de cada uno de ellos. Metales
Los metales son materiales inorgánicos que normalmente se presentan comouna combinación de varios elementos metálicos, y cuyo estudio constituye una rama científica denominada M E T A L U R G I A . La metalurgia suele dividirse en dos grandes áreas correspondientes a los materiales F ½ R R E O S NO F ½ R R E O S . y
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 21 21 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
Metales
Compuestos
Polímeros
Cerámicos
FIGURA 1.2.
La metalurgia siguesiendo hoy día la rama más importante, tanto desde el punto de vista económico como del volumen de producción, dentro de los materiales estructurales (exceptuando los materiales de construcción de tipo cerámico), y será prácticamente imposible que pueda ser desbancada de su puesto en los próximos años. La razón hay que buscarla tanto en razones históricas, como en el conjunto de propiedades de los metales que les confierenunas características únicas dentro de los materiales. Esas propiedades se basan en el tipo de E N L A C E A T Æ M I C O y en la E S T R U C T U R A C R I S T A L IN A de los metales, que les confieren por un lado altos valores de RIGIDEZ y RE SIST EN CIA MEC ·NIC A y por otro una alta D E F O R M A B I L I D A D y tenacidad a la fractura. Por otra parte, la aparición de nuevos materiales estructurales no metálicos no impide que se siga avanzando en la obtención de nuevos materiales metálicos, merced sobre todo a las nuevas tecnologías. Este progreso se efectúatanto en el campo de materiales comunes, como es el caso de los A C E R O S , como en el de las ALEACIONES más sofisticadas. Ello hace que los metales sigan siendo insustituibles no sólo en la mayoría de las aplicaciones que involucran grandes consumos de material, sino en aquellas más específicas y de altas prestaciones. Cerámicas técnicas
La base de los materiales cerámicos suelen ser los elementos inorgánicos, con una estructura más o menos cristalina. El término cerámicos cubre una gran variedad de materiales (silicatos, óxidos, carburos,
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 22 22 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
nitruros, boruros...) que se utilizan, tanto como materiales estructurales como funcionales, en magnetismo, electrónica y biología.
Las cerámicas ofrecen un intervalo de propiedades que abre un abanico muy amplio de posibles aplicaciones. Ellas pueden sustituir a otros materiales en determinadas aplicaciones y su desarrollo es un buen ejemplo de interdependencia entre varios grupos de materiales. Entre las ventajas que aportan los materiales cerámicos se encuentran: su estabilidad a alta temperatura, alta resistencia bajo esfuerzos de COM PRESIÆ N y excelente D U R E Z A , buena resistencia a la CORRO SIÆ N , bajo PESO E S PE C Á FIC O , posibilidad de dar una amplia gama de C O N D U C T I V ID A D E S T ½ R M I C A S y E L ½ CT R IC A S , y partir para su obtención de materias primas abundantes en muchos casos. Como aspectos negativos destacan, además de su normalmente alto costo final, su gran FRA G IL ID A D en algunos casos poca resistencia a cambios bruscos de temperatura, poca reproducibilidad de las características del material, dificultad de procesar y combinar con otros materiales y escasez de técnicas para llevar a cabo el control de calidad.
Los aspectos positivos de las cerámicas pueden aprovecharse en aquellos casos en los que los esfuerzos predominantes sean de compresión, con el fin de obviar su gran fragilidad. Polímeros
Los resultados de trabajos en años recientes muestran que entre el conjunto de materiales estructurales, los polímeros son los que poseen un mayor desarrollo potencial. Por ejemplo, a nivel de laboratorio se han fabricado polímeros con una R E S I S T E N C IA E S P E C Á F I C A mayor que el acero y otros con una conductividadmás alta que la que presenta el cobre. La estructura, y por tanto el comportamiento mecánico de los plásticos es totalmente diferente a la de los metales. Un polímero se define como una molécula muy larga en forma de cadena con una o más unidades de átomos que se repiten unidos entre sí por un fuerte enlace covalente. Dependiendo del modo en que se realiza la unión de unas cadenas con otras, existen diferentes tipos de polímeros que se verán en el tema 20. Los plásticos son menos rígidos y resistentes que los metales, y además sus temperaturas máximas de utilización no superan los 300 °C. Ahorabien, para muchas aplicaciones son suficientes estas características
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 23 23 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
y además, las propiedades mecánicas de estos materiales mejoran sustancialmente cuando son reforzados, dando lugar a uno de los tipos de materiales compuestos más desarrollados. Materiales compuestos
Los materiales compuestos constituyen un grupo de materiales que están experimentando una expansión muy rápida. Una de las razones es sin duda que estos materiales cubren más que ningún otro grupo un abanico de propiedades mecánicas que los hacen aptos para un gran nú . mero de aplicaciones, lo cual facilita el P R O C E S O D E DISEÅO Un material compuesto (MC) se puede definir como una mezcla de materiales diferentes diseñada para desempeñar una función específica, maximizando las propiedades deseables de sus componentes y minimizando las que no lo son. Un MC consta de al menos dos materiales diferentes cuya microestructura final se sintetiza artificialmente, en oposición a los materiales convencionales multifásicos cuya microestructura se obtiene de manera natural mediante T R A N S F O R M A C I O N E S D E F A S E , como por ejemplo a través de la aplicación de T R A T A M I E N T O S T ½ R M I C O S . En estos materiales, el componente mayoritario desempeña el papel de matriz y el minoritario de reforzante. En general, el material reforzante actúa como elemento endurecedor de la matriz que suele ser menos rígida y más dúctil que aquel (excepto en los materiales compuestos de matriz cerámica). Existen diversas combinaciones de material reforzante/matriz que pueden clasificarse según sea el tipo de matriz: polimérica (MCMP), metálica (MCMM) o cerámica (MCMC). Independientemente del tipo de reforzante y matriz, existen distintos tipos de MC dependiendo de la forma y distribución del elemento reforzante, que pueden clasificarse en dos grandes grupos denominados de refuerzocontinuo o discontinuo.
Entre las mejoras que los MC introducen en la matriz correspondiente, está la de obtener un aumento de la resistencia y rigidez específicas, una mayor resistencia al desgaste y un mejor comportamiento a FL U E N C IA . No obstante, suelen empeorar otras propiedades como son la D U C T IL ID A D , tenacidad (excepto en las de matriz cerámica) y FIABILIDAD . Además, sus métodos de producción son más complejos y caros y existe una menor base de datos y conocimiento de sus propiedades.
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 24 24 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
Dentro de los MC, los de matriz polimérica son los que tienen una mayor demanda. Sus características principales respecto a las de otras matrices son su alta capacidad de D E F O R M A C I Æ N , y su bajo M Æ D U L O D E T O R SIÆ N , siendo su tecnología de fabricación la más desarrollada. Los MCMP fueron los primeros en desarrollarse y su uso no ha dejado de crecer desde la década de los 60.
Con respecto a los MCMP, los MCMM y MCMC mejoran sobre todo el comportamiento a alta temperatura, además de aumentar la tenacidad, resistencia y conductividad; mientras que sus desventajas se deben a la falta de conocimiento de las propiedades de estos materiales por falta de desarrollo y su elevado costo de fabricación. En los MCMC, al contrario que con los otros MC, la adición de material reforzante mejora sustancialmentetanto la tenacidad a la fractura como la ductilidad.
1.2.2. Materiales funcionales Son aquellos que se utilizan en base a sus propiedades funcionales, las cuales son esenciales para el desarrollo del sistema técnico, como por ejemplo las obleas de siliciopara hacer chips y los imanes de tierras raras para motores de pequeño tamaño. Su número es extremadamente alto, el mercado de cada uno de ellos suele ser pequeño, pero su precio puede ser muy elevado. Los materiales funcionales se basan sobre todo en las PRO PIE D A D E S Q U Á M IC A S M A G N ½ T IC A S y O P T O E L E C T R Æ N I C A S
La gran cantidad de materiales que constituye este grupo se debe a la multitud de funciones existentes, lo que complica una clasificación detallada de los mismos. La clasificación más general se fundamenta en propiedades básicas: Materiales cuyas funciones se basan en propiedades químicas, e incluiría todo tipo de reactivos, además de los específicamentediseñados como anticorrosivos, C A T A L Á T IC O S , etc. Materiales cuyas funciones se basan en las propiedades magnéticas e incluirían todos los materiales magnéticos. El desarrollo de nuevos materiales basados en tierras raras ha posibilitado, por ejemplo, los radios walkman y las platinas de casetes. La existencia de estos aparatos es directamente atribuible a la mejora en las propiedades de los materiales magnéticos, porque el factor que limitaba su desarrolloradicaba en la imposibilidad de hacer auriculares y motores de alta calidad y pequeño tamaño. Materiales cuyas funciones se basan en las propiedades optoelectrónicas, que comprende uno de los grupos de materiales funcionales más
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 25 25 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
importantes, tanto desde el punto de vista económico como de impacto social, como es el caso de los S E M IC O N D U C T O R E S . El reciente proceso tecnológico desarrollado en física de superficies está posibilitando avances cada vez mayores en este campo. Puede afirmarse que el silicio es uno de los materiales, junto con los plásticos, que podrían definir la época actual. Otros materiales recientes que pueden tener gran importancia en un futuro próximo, sobre todo en el campo de láminas delgadas, son los SU PE R C O N D U C T O R E S de alta temperatura crítica de transición (TC), con importantes perspectivas de aplicación en el área d e ordenadores y electrónica.
1.3. COMPETENCIA Y LÍNEAS FUTURAS Como ya se indicó anteriormente, la aparición de un nuevomaterial no implica necesariamente su éxito. Es más, aun en el caso de que un nuevo material reúna las condiciones que garanticen su éxito, su plena implantación necesita de un cierto tiempo durante el cual atraviesa distintos grados de desarrollo. Este ciclo vital puede dividirse en varias etapas básicas: introducción, crecimiento, madurez y declive. Respecto al tiempo que transcurre entre la introducción y la madurez depende del material en cuestión, pero es indudable que cada vez es más reducido (caso de la industria del silicio), sobre todo si lo comparamos con materiales cuya introducción se realizó hace bastantes años (caso de la industria del aluminio). A cada uno de los materiales y a las diferentes tecnologías se les puede asignar un lugar en el ciclo (ver figura 1.3). Por ejemplo, los superconductores de alta temperatura, que están en la fase de investigación y desarrollo, se encuentran en la etapa de introducción, los MCMP se encuentran en plena expansión, mientras que las aleaciones de aluminio se encuentran en la etapa de madurez. Evidentemente, serán los materiales que se encuentran en la etapa de crecimiento los que más importancia tendrán en un próximo futuro. Entre ellos se encuentran los materiales que deben satisfacer las propiedades de las que hay una mayor demanda. Estas propiedades marcan los objetivos que se perseguirán tanto en el desarrollo de nuevos materiales estructurales como en tecnologías de aplicación en el campo de la ingeniería: —
Disminuir peso, haciendo cambios de diseño que no afecten a las propiedades mecánicas.
—
Aumentarresistencia mecánica.
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 26 26 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
Plásticos comunes Superaleaciones
Aluminio Cobre Aceros
Metales especiales Plásticos de nuevo desarrollo Fibras ópticas Materiales compuestos Mat. cerámicos
Introducción Crecimiento Madurez
Declive
FIGURA 1.3. — Aumentar la temperatura de
uso para ampliar el intervalo de apli-
caciones. — Mejorar las condiciones superficialespara aumentar la resistencia
al desgaste, a la FATIGA , y a la corrosión. — Utilizar propiedades específicas (funcionales) que vayanmás allá de la función mecánica (por ejemplo,materiales para implantes). — Ahorrar energía y facilitar el reciclado. La disminución de peso sin perjuicio de las propiedades mecánicas resulta fundamental, sobre todo en la industria del transporte (sectores aeronáutico y automovilístico). Ello se debe a que la disminución de peso en estos sectores es la manera más eficaz y económica de reducir el consumo de energía. Por ejemplo, la energía contenida en la fabricación de un coche es del orden de la vigésima parte de la energía necesaria para moverlo. Por tanto, un aumento en la energía de fabricación de un coche resultará rentable si se consiguereducir la energía necesaria para mover el coche (es decir, su consumo) en una proporción mayor a aquella. Reducir la energía necesaria para mover el coche se puede conseguir mejorando el rendimiento del motor y reduciendo el peso del coche. La primera puede ayudar, aunque no será decisiva debido a que el rendimiento de los motores actuales está casi en el límite. No obstante, la relación entre el consumo y el peso es casi lineal lo que hace que esta sea la vía con más impacto y por lo tanto la que debe marcar la evolución en el diseño de los coches futuros. En realidad, esta tendencia la han seguido los coches en los últimos años. De hecho el uso del aluminio puede llegar a ahorrar hasta un 40% de peso y el de los MCMP hasta un 30%.
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 27 27 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
En aeronáutica, sobre todo militar, la importancia de los nuevos materiales es incluso superior, debido a que en muchos casos el precio es menos decisivo que en el sector automovilístico. Por lo tanto, la utilización de materiales avanzados en aeronáutica va por delante de otros sectores. Evidentemente, todas las sustituciones de materiales tradicionales por otros nuevos más ligeros llevan implícita la exigencia de obtener mejoras que no vayan en detrimento de la resistencia mecánica. No obstante, hoy día se observa la demanda de materiales cuya cualidad principal es la de aumentar la resistencia, sobre todo en aplicaciones a altas temperaturas. Es el caso de la posible sustitución de aleaciones de titanio por aleaciones de aluminio rápidamente solidificadas en aplicaciones aeroespaciales. Otro campo muy activo es el de los MCMC y MCMM, y su posible aplicación en motores, debido a su buen comportamiento a altas temperaturas y frente al desgaste.
Un sector tecnológico que cada día cobra mayor importancia es el que se refiere al medio ambiente y su conservación. En lo que respecta a los materiales está claro que tanto la disponibilidad de energía como de materias primas son magnitudes finitas, y por lo tanto el ahorro de las mismas resulta económicamenterentable en muchos casos. Esta necesidad se manifiesta tanto en mejorar los procesos de fabricación que supongan un menor consumo de energía, como en aumentar la lista de los materiales reciclables. Factores que afectan a la reciclabilidad son: diseño, reconocimiento de materiales y facilidad de separación de los elementos no reciclables. En la tabla 1.1, se dan una serie de valores de la energía necesaria para la fabricación de distintos materiales metálicos a partir de materias primas (producción primaria), y su comparación con la energía necesaria para fabricar esos mismos materiales partiendo de chatarra (producciónsecundaria). De dicha tabla se extrae que en todos los casos la reducción de energía es considerable, llamando la atención el caso del aluminio.
A lo largo de este tema se ha podido comprobar la amplitud y complejidad de la ciencia de los materiales. En principio, la fuerza impulsora que ha propiciado la aparición de numerosos materiales es satisfacer las innumerables aplicaciones que demandan cada vez propiedades más exigentes. Ello ha sido posible gracias al conocimiento científico que posibilita el diseño de materiales, con propiedades específicas, a partir de un mejor control de la microestructura que afecta directamente a dichas propiedades. La diversidad de tecnologías que entran en juego, en el mejor aprovechamiento de los materiales, hace que el conocimiento
INTRODUCCI MATERIALES N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 28 28 CIENCIA Y TECNOLOG A DE LOS
ENERGÍA CONSUMIDA (GJ/Tm) Metal
Acero
Cobre (mena 1%) Cobre (mena 3%) Aluminio (de bauxita) Cinc (mena 5%) Plomo (mena 2%) Titanio (de arena)
Producción primaria
31.1 91 184 270 61 39 430
Producción secundaria
8.7 13 37 16.5 24 9 140
T ABLA 1.1.
interdisciplinario sea cada vez más necesario. Hasta ahora, para adquirir una formación completa en el área de los materiales, era imprescindible recurrir a una bibliografía muy variada, debido a dicho carácter interdisciplinario. El objeto de este libro consiste en suministrar los conocimientos básicos y agruparlos de una manera ordenada.
TEMA 2 ESTRUCTURA ATÓMICA Y MOLECULAR
2.1.
INTRODUCCIÓN
Las propiedades de los materiales dependen en gran medida de su estructura. El principal objetivo de la ciencia de materiales es relacionar estructura y propiedades, tomando como base la metodología científica. Ello permite predecir propiedades en función de la estructura, y por tanto diseñar materiales con las características deseadas para su mejor utilización. Aunque el término estructura es ambiguo, en los materiales de interés tecnológico se aplica a determinadas configuraciones, que pueden ser geométricas o de cualquier otro tipo. A su vez cuando se habla de la estructura de un material es preciso especificar la escala dimensional a que se refieredicha estructura. En la figura 2.1 se muestran las estructuras más relevantes a las distintas escalas dimensionales. Así por ejemplo, en el entorno de 10 8 m la estructura característica corresponde a los D E FE C T O S C R IS T A L IN O S . –
Estructuras de ingeniería Componentes Estructuras
Átomos Partículas atómicas
-16 –
-
-14 –
-
Defectos Micro cristalinos
-12 –
-
-10 –
-
-8 –
-
-6 –
-
Log (m)
FIGURA 2.1.
-4 –
Macro
-
-2 –
-
0– 1 m
-
2–
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 30 30
A continuación se enumeran y esbozan las principales estructuras que, con sus diferentes dimensiones, afectan al comportamiento de los materiales: Estructura atómica: se refiere a la naturaleza de las distintas partículas elementales asociadas al ·TOMO . Dentro de ellas son más importantes las partículas que se encuentran en la corteza (electrones), que las situadas en el núcleo del átomo (protones, neutrones...). Esto es así porque, en general, en los materiales tecnológicos la configuración de los electrones explica en gran medida su comportamiento. Estructura molecular: consiste en las distintas configuraciones que adoptan los átomos cuando se unen entre sí en grupos pequeños. Esta unión, salvo en el caso de los G A S E S N O B L E S , se presenta en muchos casos de forma espontánea en la naturaleza. El parámetro más importante en la estructura molecular es el carácter de la unión que determina la intensidad de la misma. Estructura cristalina: cuando los átomos o las M OL½ CU LAS se unen en gran número, de forma que dan lugar a un sólido, adoptan un determinado orden espacial. Puesto que dicho ordenamiento se repite a lo largo del espacio, no son necesarios nada más que unos pocos átomos o moléculaspara su descripción.
Por microestructura se entiende la apariencia física de la estructura interna que adoptan los materiales a escalas para cuya observación es necesario el microscopio óptico o electrónico. Ejemplos de microestructura observables por M I C R O S C O P Á A Æ P T I C A son el tamaño y forma de los granos, y la presencia y distribución de partículas de segunda fase. Cuando estas últimas son muy pequeñas y para otros D E F E C T O S D E L A R E D es preciso utilizar la M ICR O SC OPÁ A E L E C T R Æ N I C A D E B A R R I D O o la de TRA NSM ISIÆ N . Por último, la M A C R O E S T R U C T U R A está constituida por la morfología que presentan los materiales, observable a ojo desnudo o con la ayuda de una lupa.
2.2.
ESTRUCTURA ATÓMICA
Muchas propiedades de los materiales dependen de la naturaleza y del comportamiento de los átomos que los constituyen. Los átomos son los constituyentes básicos de la materia ya sea en E S T A D O SÆ LIDO o C O N D E N S A D O (C R I S T A L I N O LÁQUIDO o A M O R F O ), o GASEOSO
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 31 31
Esencialmente un átomo está formado por un núcleo y por la nube de electrones que lo rodea. En el núcleo se encuentran diversas partículas entre las que destacan los neutrones y los protones. El resto de partículas nucleares no se estudiarán en este libro, ya que tienen escasa influencia en las propiedades físicas y mecánicas de los materiales.
2.2.1. Estructura electrónica El electrón es una partícula de masa muy pequeña portadora de una carga que por definición tiene signo negativo, y de magnitud igual a 1.6 10 19 C. El electrón se comporta como si girase sobre sí mismo como una peonza, cualidad denominada spin. Este giro hace que se pueda considerar al electrón como un diminuto imán. –
Los electrones están situados en distintos orbitales alrededor del núcleo. Un orbital se refiere a una función matemática y puede ser interpretado como la probabilidad de encontrar al electrón correspondiente, considerado como una partícula, en un punto en torno al núcleo. En este sentido, un electrón se visualizacomo una nube de electricidad cuya distribución de densidad viene dada por el orbital, mejor que por el diagrama puramente simbólico de una partícula que se mueve en torno al núcleo en una órbita definida. Números cuánticos
No todos los electrones que rodean el núcleo del átomo tienen la misma energía, de hecho la energía de los electrones aumenta a medida que se incrementa su distancia con respecto al núcleo. Ahora bien, no todas las energías, y por tanto distancias, son posibles, sino solamente un cierto número de ellas. Cuando la distribución de energías no es continua, como es este caso, se dice que están cuantificadas. El estado de un electrón viene determinado por cuatro NËMERO S denominados CU·NTICOS , los tres primeros asignan la energía y el último el sentido de giro o spin. El NË MERO CU ·NT ICO PRIN CIPA L n puede tomar cualquier valor entero positivo y determina las capas cuánticas principales, de tal manera que los electrones situados en cada una de ellas tienen energías parecidas. A veces en vez de números, las distintas capas se designan por letras. Así, a la , a la N = 3 la , y capa N = 1 le corresponde la letra + , a la capa N = 2 la , así sucesivamente.
-
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 32 32
Cada capa cuántica principal está formada por subcapas cuyo número lo determina el NË MER O CU·NTI CO AZIMUT AL L y el NË MER O CU·NT IC O MAG N ½ T IC O M . Los números cuánticos azimutales toman los valores L = 0, 1, 2, ...., N – 1 y se simbolizan por las letras minúsculas siguientes:S para L = 0, P para L = 1, D para L = 2 y F para L = 3. L
Los números cuánticos magnéticos indican los diferentes niveles de energía dentro de cada subcapa. Su número dentro de cada subcapa L es de 2 L + 1 y se simbolizan por números enteros entre – L y + L . Por ejemplo, en la capa L, es decir N = 2, hay dos subcapas o tipos de orbitales, los S para L = 0 y los P para L = 1. A su vez en el orbital s hay un único nivel de energía con M = 0 mientras que para L = 1 hay tres tipos de orbitales P que corresponden a M L = – 1, 0, +1. Por tanto, en la capa L hay un total de cuatro niveles de energía posibles u orbitales. Por último, el número cuántico de spin, M s, asigna dos estados posibles dentro de cada nivel de energía, cada uno de ellos con un sentido de giro, que son ms = ± 1/2. Por lo tanto, en cada uno de los cuatro orbitales hay dos estados, lo que implica un total de ocho estados diferentes. L
De acuerdo con el PR IN CIP IO DE EXCLU SIÆ N DE 0AULI , no puede haber más de un electrón con los mismos números cuánticos, por lo que cada estado puede estar ocupado como máximo por un electrón. Este principio implica que la capacidad máxima de las capas + , ,y será de dos, ocho y dieciocho electrones respectivamente. Es decir, el número total de estados en cada capa N e s de 2 N 2 y en cada orbital S P D y F , habrá 2, 6, 10 y 14 estados respectivamente.
-
Configuración electrónica
La C O N F I G U R A C I Æ N ELECTR Æ NICA de los elementos se expresa de forma abreviada de acuerdo con la notación que a modo de ejemplo se aplica al aluminio: El aluminio tiene trece electrones que ocupan los trece estados con , la , y por menor energía, llenándose primero la capa + , y luego la , . En la capa + ( N = 1) que es la de menor energía, caben dos último la . en ( N = 2) cabrían 2 × 22 = 8 electroelectrones el orbital S . En la capa , nes, de los cuales dos están en el orbital S y seis en los orbitales P . Por ( N =3 ), estarán situados el resto de los último, en la tercera capa, electrones, dos en el orbital S y uno en el P . La configuración electrónica del aluminio se escribe en forma abreviada del siguiente modo: 1S 2, 2S 2 2 P 6, 3S 2 3 P 1.
-
-
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 33 33
En la tabla 2.1 se presenta, en notación abreviada, la configuración electrónica de los elementos más representativos. Se puede observar que, en algunos casos, se ocupan orbitales de las capas superiores sin haberse completado las anteriores. Por ejemplo en el Fe, antes de completar el orbital 3 D los electrones ocupan el orbital 4S . Este efecto se debe al solapaque hace que los miento de los niveles de energía entre las capas y . estados 4S tengan una energía menor que algunos orbitales 3 D , dando lugar a que se ocupen primero aquellos que son menos energéticos. Los elementos que presentan este comportamiento se denominan elementos de transición.
-
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE ELEMENTOS 1
H
Is
2
He
I s2
[He]
2s 2s2 2s2 2p 2s2 2p2 2s2 2p3 2s2 2p4 2s2 2p5 2s2 2p6
Na Mg Al Si P S Cl Ar
[Ne]
3s 3s2 3s2 3p 3s2 3p2 3s2 3p3 3s2 3p4 3s2 3p5 3s2 3p6
K Ca
[Ar]
4s 4s2 3d 4s2 3d2 4s2 3d3 4s2 3d5 4s 3d5 4s2 3d6 4s2 3d7 4s2 3d8 4s2 3d10 4s 3d10 4s2
3 4 5 6 7 8 9 10
Li
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Be B C N O F Ne
Sc Ti
V Cr
Mn Fe Co Ni Cu
Zn
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 34 34
31 32 33 34 35 36
Ga Ge As Se Br Kr
37 38 39 40 41 42
Rb Sr
3d10 4s2 4p 3d10 4s2 4p2 3d10 4s2 4p3 3d10 4s2 4p4 3d10 4s2 4p5 3d10 4s2 4p6
[Kr]
Y
Zr Nb Mo
43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Tc Ru Rh
Pd
5s 5s2 4d 5s2 4d2 5s2 4d4 5s 4d5 5s 4d6 5s 4d7 5s 4d8 5s
4d10 4d10 5s 4d10 5s2 4d10 5s2 5p 4d10 5s2 5p2 4d10 5s2 5p3 4d10 5s2 5p4 4d10 5s2 5p5 4d10 5s2 5p6
Ag Cd In Sn Sb Te I
Xe
T ABLA 2.1.
2.2.2. Estructura nuclear Como ya se indicó con anterioridad, el núcleo de un átomo consiste básicamente en un conjunto de protones y neutrones. El protón es una partícula que posee una masa de 1.673 10 24 g, que es 1.836 veces superior a la del electrón y está dotado de una carga de igual magnitud que la del electrón pero con signo positivo. El neutrón es una partícula con una masa de 1.675 10 24 g, un poco superior a la del protón, y no posee carga eléctrica. Por lo tanto, la masa del átomo está concentrada en el núcleo. –
–
El número de protones en el núcleo de un átomo estable es igual al de electrones, lo que hace que el átomo sea eléctricamente neutro. El número de electrones de un elemento puede variar dependiendo del E S T A D O D E IO N IZ A CIÆ N . El número de neutrones también puede variar entre átomos del mismo elemento, lo que da lugar a la existencia de distintos IS Æ T O PO S , cada uno de ellos con una masa diferente. Por tanto, aun siendo la masa atómica un parámetro importante, es el número de protones, denominado
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 35 35
, el único parámetro que per«número atómico» y designado con la letra : manece invariable, razón por la que se elige como parámetro característico de cada elemento. La masa atómica, , se suele expresar como la masa de un mol del elemento, es decir la masa en gramos de 6.023 1023 . La unidad átomos o moléculas, conocido como número de Avogadro, . ! 24 , y multiplicada atómica de masa, uam = 1.66 10 g, es el inverso de . ! por el número que define la masa atómica del átomo en cuestión, , da la masa de un átomo en gramos.
-
–
-
La fuerza que mantiene confinados en el núcleo a los nucleones (protones y neutrones) no puede ser de tipo electromagnético, puesto que esta tiende a repeler cargas de igual signo, ni de tipo gravitatorio que es muy débil y de largo alcance. La fuerza responsable de la unión entre protones es la denominada F U E R Z A N U C L E A R que tiene la particularidad de atraer cargas de igual signo cuando estas se encuentran muy cerca, (~10-13 cm); es decir, se trata de una fuerza muy intensa y de muy corto alcance.
2.2.3.
La tabla periódica
Como ya se ha visto en la tabla 2.1, la propia configuración electrónica permite ordenar los distintos elementos en función de su número atómico Z. No obstante, basado en esta misma configuración electrónica, pueden ordenarse los elementos de tal manera que además tenga en cuenta ciertos aspectos de su comportamiento. El resultado es la denominada tabla periódica que se presenta en la tabla 2.2. En esta tabla se incorporan como datos significativos de cada elemento, el número atómico (parte superior) y la masa atómica (debajo del símbolo).
En dicha tabla, las líneas horizontales o períodos, de las columnas IA a VIIA corresponden a las capas cuánticas. Por ejemplo, todos los elementos del segundo período (es decir el Li, Be, B, C, N, O, F y Ne) tienen ), mientras que los del tercer electrones en las dos primeras capas (+ y , período tienen electrones en las tres primeras capas(+ , y ).
-
Las columnas, o grupos, se refieren al número de electrones que hay en el nivel más externo, situados en orbitales S y P , que da la valencia del elemento. Así, los elementos de la primera columna tienen un único electrón en la última capa, el Li: 2 S 1, el Na: 3S 1, el K: 4S 1.... tal y como puede comprobarse revisando la configuraciónelectrónicapresentada en la tabla 2.1. Para los elementos de las columnas IIIB a IIB es algo más complicado, pues comprenden los elementos de transición cuya ocupación electrónica de las capas ya se ha comentado al final del apartado 2.2.1.
S E L A I R E T A M E D O T N E I M I C O N O C L A N I C C U D O R T N I
IA
0
1
2
H
He IIA
1,007 3
IIIA
4
Li
5
6
VA 7
VIA 8
VIIA 9
4,003 10
Be
B
C
N
O
6,939
9,012
10,81
12,01
14,00
15,99
19,00
20,18
11
12
13
14
15
16
17
18
Na
Mg
22,99
24,31
19
20
K
Ca
Al IIIB 21
IVB 22
Sc
VB 23
Ti
VIB 24
V
Cr
VIIB 25
VIIIB 26
Mn
Fe
27
IB 28
Co
Ni
29
IIB 30
Si
P
S
F
Cl
Ne
Ar
26,98
28,09
30,97
32,06
35,45
39,94
31
32
33
34
35
36
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
39,10
40,08
44,96
47,90
50,94
52,00
54,94
55,85
58,83
58,71
63,54
65,37
79,72
72,59
74,92
78,96
79,90
83,80
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
85,47
87,62
55
56
Cs
Y 88,90
Ba
132,9
137,3
87
88
Fr 223
Zr
Nb
Mo
91,22
92,91
95,94
72
73
74
Hf
Ta
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
98,00
101,1
102,9
106,4
107,8
112,4
75
76
77
78
79
80
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
In
Sn
Sb
114,8
118,7
121,7
127,6
126,9
131,3
81
82
83
84
85
86
Tl
Pb
Bi
Te
Po
I
At
Xe
Rn
178,5
180,9
183,8
186,2
190,2
192,2
195,1
196,9
200,6
204,3
207,2
208,9
210,0
210,0
222,0
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
Ra 226
Serie Lantánida
Serie Actínid
6 3
IVA
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
138,9
140,1
140,9
144,2
147,0
150,3
152,0
157,2
158,9
162,5
164,9
167,2
168,9
163,0
174,9
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Ac
Th
227,0
232,0
Pa 231,0
U
Np
238,0
237,0
Pu 242,0
Am
Cm
243,0
247,0
T ABLA 2.2.
Bk 247,0
Cf 251,0
Es 254,0
Fm
Md
No
Lw
253,0
256,0
257,0
260,0
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 37 37
2.2.4.
ELECTRONES DE VALENCIA
Se denominan electrones de valencia a los electrones situados en la última capa, que siempre están en los orbitales S y P . Como en el orbital s caben dos electrones y seis en el orbital P , quiere decir que el número de electrones de valenciavariará entre uno y ocho. En la interacción entre los distintos átomos juegan un papel muy importante los electrones externos o de valencia, ya que al ser los electrones menos ligados al átomo serán más fáciles de intercambiar. Por lo tanto, en el comportamiento de los electrones de valencia residen muchas de las propiedades básicas de los materiales. Algunos átomos poseen una configuración electrónica estable, es decir, la última capa, correspondiente a los electrones de valencia, se encuentra completa. Normalmente esta configuración equivale a tener ocho electrones en la última capa, distribuidos en los orbitales S y P . En esta situación se encuentran los gases nobles, excepto el helio que tiene sólo dos electrones 1S , lo que da lugar a que tales elementos no reaccionen quí micamente con otros átomos, por lo que se les considera inertes a todos los efectos. El resto de los elementos tienden a completar la última capa. Para ello, dependiendo de los electrones de valencia que tengan, en unos casos les resulta más fácil aceptar electrones y en otros perderlos. Por ejemplo, el aluminio tiene 3 electrones en la tercera capa, es decir 3 electrones de valencia, resultándole más fácil ceder esos tres electrones y quedarse con la segunda capa completa, que ganar 5 para completar la tercera. Este es el caso general de los metales, en los que se produce ionización positiva. La reacción por la que sucede este proceso de pérdida de electrones se llama de oxidación.
Por el contrario, el oxígeno tiene 6 electrones en la última capa, dos en el orbital S y cuatro en el P , resultándole más fácil ganar dos electrones para completar su última capa, quedando ionizado negativamente. El proceso correspondiente se llama de reducción. Algunos elementos del grupo IVA pueden aceptar o ceder electrones, como sucede con el C, Si y Ge, ya que poseen cuatro electrones en la última capa.
La capacidad de un átomo para aceptar electrones se cuantifica mediante un parámetro denominado E L E C T R O N E G A TIV ID A D , que se mide en una escala arbitraria entre 0 y 4.1. Los elementos menos electronegativos son los metales alcalinos (Li, Na y K), ya que tienen la última capa casi
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 38 38
vacía, mientras que los más electronegativos son los que tienen la última capa casi llena, como el F, O y N tal y como se puede observar en la figura 2.2. Este parámetro es muy importante a la hora de formar un enlace iónico, y en todos aquellos procesos en los que se produce corrosión electroquímica. Generalmente, la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha, y de abajohacia arriba en la tabla periódica.
4
F –
O d a d i v i t a g e n o r t c e l E
3
–
C H 2
P
Br
Si
As
Ga Ge
Mg –
S Se
B
–
Be 1
Cl
N
Al
Li Ca
Na K I –A
–
II– A
III A
IV –A
V –A
VI A –
VII A –
Posición tabla periódica
FIGURA 2.2.
2.3.
ESTRUCTURA MOLECULAR
Hasta ahora, se han visto algunas propiedades de los átomos considerados como partículas libres. No obstante, excepto los denominados gases nobles, los átomos no suelen presentarse como partículas aisladas, sino formando grupos más o menos grandes llamados «moléculas». Ello se debe a que aquellos átomos que tienen su última capa incompleta tienden a llenarla a través de la unión con otros átomos, merced a las fuerzas interatómicas que operan entre ellos. Estas fuerzas interatómicas, ya sean atractivas o repulsivas, son de tipo electrostático. Las fuerzas repulsivas tienen su origen en las F U E R Z A S E L E C T R O S T · T I C A S que operan entre cargas de igual signo. Así, los núcleos al estar cargados positivamente tenderán a repelerse, sucediendo lo mismo entre las nubes electrónicas de los distintos átomos. Por otro lado existen fuerzas de atracción, puesto que
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 39 39
los electrones de un átomo tenderán a atraer la carga positiva encerrada en el núcleo de otro átomo, y viceversa. En la figura 2.3a, se muestran de modo esquemático con líneas de puntos las fuerzas atractivas, & !, y repulsivas, & 2 , con línea continua la suma de ambas que da la fuerzaneta resultante, & , para dos átomos, en función de la distancia R que los separa. En la figura 2.3b, se representa la energía potencial, 5 es la com, del sistema en función de la separación interatómica (donde 5 ! ponente atractiva y 5 la repulsiva). Como se trata de FUERZAS CONSERVATIVAS se 2 / D R para el caso unidireccional. A grandes discumple que & = – grad 5 = – D5 tancias, la fuerza de atracción domina sobre la de repulsión, aunque la magnitud de la fuerza neta sea muy pequeña. A medida que se acercan los átomos aumenta la fuerzaneta de atracción, disminuyendo paulatinamente la energíapotencial. Para R < R 0 los orbitales de ambos átomos se solapan y la fuerza de repulsión aumenta muy rápidamente, dominando a la fuerza atractiva. Cuando la distancia entre ambos átomos es R = R 0 la fuerza neta es cero, la energía potencial toma un valor mínimo 5 corresponde a la con0 y figuraciónmás estable del sistema, denominándose distancia de equilibrio. ó i c c a r t A
rO
F a z r e u F
0 Separación interatómica r
n ó i s l u p e R
F FR
a í g r e n E
(b)
UR
U l a i c n e t o p
(a)
FA
Separación r interatómica
0 UO
U
UA
FIGURA 2.3.
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 40 40
2.3.1. Estados de la materia Además de las fuerzas electrostáticas, existen otros factores que influyen en la distancia de equilibrio, como es el caso de la temperatura. En un gas, donde la temperatura es relativamente alta, la energía cinética de los átomos es tan grande frente a la energía potencial, que los átomos tienden a separarse entre sí. Así, en caso de colisión se separarán, debido a la fuerza repulsiva existente a distancias cortas.
Al bajar la temperatura, la energía cinética de los átomos disminuye y las fuerzas de atracción empiezan a cobrar importancia, hasta que llega un momento, a temperaturas suficientemente bajas, en que la energía cinética es insuficiente para apartar los átomos que han colisionado. En ese momento el gas se condensa dando lugar al estado líquido. A temperaturas aún más bajas, donde la activación térmica es prácticamente despreciable frente a la fuerza atractiva, los átomos se inmovilizan en lugares fijos formando un sólido. De todas maneras, aun en estado sólido los átomos están animados de pequeños movimientos de vibración en torno a la posición de equilibrio, excepto cuando se alcanza la temperatura del cero absoluto en la que los átomos están realmente inmóviles.
2.3.2.
Tipos de enlace interatómico
Los materiales de interés tecnológico, normalmente, se utilizan en estado sólido, en el cual la separación entre los átomos viene determinada por la distancia de equilibrio. Ahorabien, la energía de cohesión (representada en la figura 2.3b por 5 ), que depende como se ha visto de las 0 fuerzas electrostáticas, varía de un elemento a otro en función del balance de dichas fuerzas. Esta variación se debe a las distintas configuraciones electrónicas posibles, y a características estructurales de los distintos átomos. La configuración electrónica es determinante, puesto que como ya se ha indicado anteriormente, los átomos tienden a completar la última capa, tendencia que marcará los distintos tipos de uniones. Enlace metálico
Este tipo de enlace tiene lugar en elementos que poseen menos de cuatro electrones en la última capa, es decir en los electropositivos, de tal forma que cuando se unen los átomos, estos ceden sus electrones de
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 41 41
valencia al conjunto del sólido. Estos electrones de valencia forman un gas de electrones que es compartido por todos los átomos, a modo de pegamento entre ellos,dando lugar a un enlace que no es direccional y a que los electrones pudan moversefácilmente en el seno del sólido. Estas dos características hacen que los metales posean una buena conductividad eléctrica y posibilita, junto con el tipo de estructura cristalina que se verá más adelante, su deformación plástica.
Las energías de enlace de los metales dependen del número de electrones de valencia cedidos al gas electrónico. Así, las energías de enlace de los metales alcalinos (grupo 1A) son relativamente bajas, del orden de 100 KJ/mol, y aumenta para aquellos elementos que ceden más electrones, sobre todo para los metales de transición en los que además intervienen orbitales tipo D , que poseen una energía de enlace en torno a los 400 KJ/mol. En la tabla 2.3 se muestran los valores de la energía de enlace de algunos metales. En dicha tabla se puede apreciar que la temperatura de fusión tiende a crecer conforme lo hace la energía de enlace. Tipo de enlace
Material
Energíade enlace (KJ/mol)
Temperatura de fusión (°C)
Iónico
NaCl MgO
540 1000
801 2800
Covalente
Si C (diamante)
450 713
1410 >3550
Metálico
Hg Al
Fe W
68 324 406 849
-39 660 1538 3420
Ar
35
Van-der-Waals
-189
T ABLA 2.3.
Enlace covalente
Este tipo de enlace ocurre preferentemente entre elementos con electronegatividad parecida, situados en zonas próximas de la tabla periódica. Ello es debido a que los átomos involucrados comparten al menos un electrón de la última capa, con el fin de que cada átomo alcance la configuración estable de ocho electrones en la última capa. Cada uno de los
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 42 42
electrones de valencia perteneciente a un átomo puede ser compartido como máximo con otro átomo, y se considera que pertenece a ambos. Dependiendo del número de electrones compartidos entre cada pareja de átomos, el enlace puede ser sencillo o múltiple.
Un enlace covalente sencillo es el único posible en aquellos elementos que poseen siete electrones en la última capa, como es el caso del flúor. En este caso, cada átomo de flúor comparte un electrón 2 P con otro átomo de flúor, de manera que cada uno de ellos se rodea de ocho electrones. Cuando un elemento tiene seis electrones en la última capa, como es el caso del oxígeno,puede formarse una molécula diatómica con enlace covalente, en la que cada átomo comparte dos electrones con otros dos del vecino a través de un enlace doble. Igualmente, puede haber enlaces triples para moléculas diatómicas formadas por átomos con cinco electrones en la última capa. En el caso del carbono que tiene cuatro electrones en la última capa, cada átomo puede rodearse de otros cuatro átomos de carbono compartiendo con cada uno de ellos un enlace simple. El enlace doble se formaría cuando cada átomo de carbono se rodea de otros dos. En general, la energía del enlace crece conforme lo hace su multiplicidad. Así, para el enlace de dos átomos de carbono la energía varía entre 370 KJ/mol para el enlace sencillo y 890 KJ/mol para el enlace triple. De entre las distintas posibilidades que se han visto, las más interesantes desde el punto de vista de la ingeniería son las que posibilitan los materiales en estado sólido, como son los formados por C, Si y Ge, o los compuestos sólidosformados por elementos situados más bien a la derecha de la tabla periódica, como el GaAs y el SiC. También son muy importantes los enlaces en los que, además de participar el carbono, también lo hace el hidrógeno, pues constituyen la base de los materiales poliméricos. La energía del enlace covalente en función de la distancia R , se puede describir con la siguiente ecuación empírica: / R M + " / R N 5 = – !
con M < N
[2.1]
, ", M , y N son constantes, correspondiendo el primero y el sedonde ! gundotérmino a la parte atractiva y repulsiva respectivamente.
En general, puede afirmarse que las energías del enlace covalente son apreciablemente superiores a las correspondientes del metálico, como consecuencia del carácter direccional y localizado del primero. El enlace covalente es muy fuerte y tiene un alto carácter direccional, pues está muy localizado en la dirección en que se comparten los electrones, e implica que los átomos deben acomodarse de una manera
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 43 43
geométrica determinada. Este tipo de unión da lugar a materiales con poca ductilidad, ya que debido al alto orden del enlace covalente, no resulta posible un acomodo con las fuerzas exteriores mediante un proceso de D E F O R M A C I Æ N PL·S TIC A , por lo que cuando se alcanza la tensión necesaria para romper el enlace en estos materiales, se produce una R O T U R A F R · G IL por descohesión. Además, al estar los electrones localizados no pueden moverse por el interior del sólido, lo que hace que su conductividad eléctrica sea baja. Muchos materiales cerámicos y poliméricos tienen enlaces de carácter covalente y suelen ser buenos aislantes eléctricos y caloríficos. Enlace iónico
El enlace iónico sólo puede ocurrir entre elementos diferentes, uno de ellos electronegativo y el otro electropositivo. En este tipo de enlace, el elemento electropositivo tiene pocos electrones en la última capa y los cede (quedándose por tanto con la última capa completa) al elemento electronegativo, que con esos electrones completa su última capa. Por ejemplo en el cloruro sódico, el sodio que tiene un electrón en la última capa (3S 1) lo cede al átomo de cloro, que sumado a los siete electrones que posee en la última capa (3S 23 P 5) hacen los ocho necesarios para completarla. La parte atractiva de la energía de interacción entre dos iones se puede describir a partir de la ,EY DE #OULOMB para interacción entre cargas. Para ello se considera a cada ión como una partícula con la carga correspondiente a la del estado ionizado. La parte repulsiva se aproxima a una expresiónparecida a la del caso del enlace covalente. Así la energía de interacción en función de la distancia R , se puede escribir como: 5 = – (: : E 2)/4 1 2
R
0
+ " R N
[2.2]
y : son el número de electrones de vadonde E es la carga del electrón, : 1 2 lencia de cada átomo que participan en el enlacen, y "y N constantes. Comparando esta expresión con la [2.1] se aprecia que la diferencia fundamental entre ambas es la dependencia de r con la parte atractiva, que hace que esta componente sea mayor en el caso del enlace iónico. Por tanto, las energías del enlace iónico son aún mayores que las del covalente.
En el enlace iónico, el empaquetamiento de los iones para formar un sólido se realiza sin orientación preferente, puesto que la interacción electrostática tiene simetría esférica y no es direccional. La única restricción al empaquetamiento es que debe poseer una estructura que mantenga la neutralidad de la carga.
ESTRUCTURA INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES MOLECULAR ATÓMICA 44 44
Como los portadores de carga son los propios iones, la conductividad eléctrica está controlada por procesos difusionales. Por tanto, la conductividad eléctrica es muy inferior a la correspondiente al enlace metálico, y al contrario que este último, aumenta con la temperatura. Además son frágiles, pues la deformación plástica exigiría romper localmente el equilibrio eléctrico entre los iones. En general, el enlace de un material es mixto, teniendo caracteres parciales de los tres tipos de enlace. Por ejemplo el silicio y el germanio, aunque son básicamente covalentes, participan de alguna manera del enlace metálico. Enlace de Van der Waals
Los tres tipos de enlace que se han discutidohasta ahora son los más importantes en los materiales tecnológicos, pues son los enlaces más fuertes. No obstante, también resulta de interés conocer los fundamentos de otro tipo de enlace de carácter mucho más débil que los anteriores, pero que ayuda a entender el comportamiento de algunos materiales poliméricos. La fuerza de Van der Waals se basa en la atracción dipolar entre átomos neutros. Aunque la carga total de un átomo sea cero, puede que su distribución espacial no sea simétrica, de tal forma que no coincidan el centro de gravedad de las cargas negativas y positivas. En este caso, se crea un M OM EN TO DIPOL A R que al inducir otro momento dipolar en un átomo próximo, hace que ambos átomos se atraigan. Como los dipolos se atraen con una dependencia de 1/ R 6 , la energía de interacción de Van der Waalsserá: = – ! R 6 5
+ " R N
con N ~12
[2.3]
donde !y "son constantes. Como puede observarse, de la dependencia de la parte atractiva con la distancia, este enlace es, con mucho, el más débil de todos los estudiados, pero es muy importante en el caso de los polímeros, ya que sirve de unión entre las distintas cadenas poliméricas.
TEMA 3 ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS
3.1.
INTRODUCCIÓN
El carácter del enlace, estudiado en el tema anterior, tiene una influencia decisiva en el comportamiento final de los sólidos. No obstante, el modo en que se empaquetan los átomos y moléculas al formar un sólido, es también determinante para explicar ciertas propiedades, como por ejemplo las mecánicas. En general, dicho empaquetamiento se produce con un cierto grado de orden que puede ser de largo o de corto alcance. El orden de corto alcance se produce cuando moléculas más o menos complejas que poseen un alto orden interno, se unen entre sí de forma aleatoria. En este caso suele hablarse de que el sólido tiene estructura molecular, pudiendo adoptar distintas configuraciones. Una estructura molecular se puede definir como grupos, cada uno de ellos formado por un número limitado de átomos unidos entre sí por fuertes enlaces iónicos o covalentes de manera ordenada, cuyos enlaces con otros grupos o moléculas de átomos similares son relativamente débiles, semejantes a las fuerzas de Van der Waals, y por tanto sin orden de unión entre los grupos. Este tipo de estructuras se verá con más detalle en los temas dedicados a los materiales cerámicos y poliméricos. El orden de largo alcance tiene lugar cuando, además del orden interno entre los átomos que integran cada una de las moléculas, estas se ordenan dando lugar a una configuraciónrepetitiva en el espacio. El orden de largo alcance hace mínima la energía del sólido y es típico de los metales y de ciertos materiales cerámicos y poliméricos.
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 46 46
A este tipo de ordenamiento, en el que una secuenciabásica se repite a lo largo de todo el sólido, se le denomina estructura cristalina y a los materiales que la poseen cristales.
3.2.
TIPOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS
Cadaestructura cristalina tiene asociada una red espacial, que es un conjunto regular y periódico de puntos reticulares. Una estructura cristalina está constituida por una red espacial, de manera que en cada punto reticular, o de la red, se sitúan grupos de átomos idénticos, tanto en composición atómica como en orientación. Este grupo de átomos, que a modo de molécula se repite en cada punto reticular, se denomina base. Por tanto, una estructura cristalina está constituida por la suma de la red espacial y la base.
El número de redes espaciales posibles no es infinita, puesto que su geometría debe ser capaz de llenar todo el espacio sin dejar huecos. Por ejemplo, en dos dimensiones las únicas redes que llenan el plano son las que tienen simetría triangular o cuadrada. En tres dimensiones, se puede demostrar que solo existen siete sistemas cristalinos independientes posibles, que dan lugar a catorce redes, denominadas redes de Bravais. En la figura 3.1 se representan las celdas unitarias correspondientes a las catorce redes de Bravais, es decir las entidades que, siendo la menor subdivisión de la red, retienen las características generales de la misma. En dicha figura cada punto reticular está señalado con un pequeño círculo lleno. En la tabla 3.1 se dan los PA R·M ETROS D E LA RE D necesarios para describir los distintos sistemas cristalinos, que definen el tamaño y la forma de cada C E L D A UNITARIA . En el sistema cúbico, el único parámetro de la red necesario para describir la celda es el lado del cubo, mientras que en el hexagonal son necesarios dos parámetros. Estos dos sistemas son los más importantes, ya que la mayoría de los materiales de interés tecnológico poseen una de estas dos estructuras. No obstante, la estructura más abundante no es la hexagonal, sino la denominada hexagonal compacta (HC), en la que aparece otro átomo situado en el centro del prisma, de base romboidal destacado en la figura 3.1, de manera similar al cambio que se produce al pasar del tetragonal simple al centrado en el cuerpo. En los metales, la estructura de la base sueleestar constituida por un solo átomo, por lo que el número de átomos coincide con el de puntos reticulares. En estructuras más complicadas, como sucede con
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 47 47
los compuestos intermetálicos en estado ordenado y con los materiales cerámicos, en cada punto reticular o de la red pueden disponerse bastante átomos, correspondientes a la base, formando celdas unitarias muy complejas. Por ejemplo el compuesto Ni3Al representado en la figura 6.2 tiene estructura cúbica simple, con una base constituida por un átomo de Al en cada vértice y los tres de Ni situados en el centro de las tres caras
Cúbica simple (CS)
Cúbica centrada en las caras (CCC)
Tetragonal simple
Tetragonal centrada en el cuerpo
Ortorrómbica simple
Romboédrica
Cúbica centrada en el cuerpo (CC)
Hexagonal
Ortorrómbica centrada en el cuerpo
Ortorrómbica centrada en las bases
Ortorrómbica centrada en las caras
Monoclínica simple
Monoclínica centrada en las bases
Triclínica
FIGURA 3.1.
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 48 48
que intersectan el vértice. Si el Ni 3Al estuviese en estado desordenado, es decir que los átomos de Al y de Ni pudiesen ocupar cualquier posición, bien en vértices o en centros de las caras, la estructura sería cúbica centrada en las caras con una base sencilla, constituida por un átomo, bien de Al con una probabilidad del 25% o de Ni con una probabilidad 75%. CARA CTERÍSTICAS DE LOS SISTEMA S CRISTALINOS Estructura Cúbica
Ejes
Ángulos
Tetragonal
a = b = c a = b & c
= =
= = 90° = = 90°
Ortorrómbica
a & b ± c
=
=
Hexagonal
a = b & c
Romboédrica
a = b = c a& b & c a& b & c
Monoclínica
Triclínica
=
= 90°
= 90º, = 120° =
=
=
= 90°
&
&
& 90° &
& 90°
T ABLA 3.1.
3.3.
ÍNDICES DE MILLER
Muy frecuentemente es necesario identificar determinados planos y direcciones en un cristal. El conjunto de números que se utiliza para identificar los distintos planos y direcciones se conoce con el nombre de índices de Miller. Por definición, los índices de Miller de un plano son los valores recíprocos de las intersecciones de dicho plano con los tres ejes principales del sistema cristalino, medidos en unidades de parámetros de red. Suponiendo un sistema cristalino cualquiera, con parámetros de red A B y C , para el cálculo de un plano del mismo se procede como sigue, de acuerdo con el ejemplo de la figura 3.2. I) Se calculan los valores de la intersección del plano con los ejes X Y Z expresándolos en unidades de los parámetros de red a lo largo de cada eje. En este caso dichas intersecciones son: X = 2, Y = 1, Z = 3. Cuandouna de las intersecciones pasa por el origen de coordenadas, debe desplazarse el plano de intersección de forma que no haya ninguna origen. con el intersección
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 49 49
Z
c
a b Celda unidad Y
X
FIGURA 3.2.
iII)
Se toman los valores recíprocos de dichas intersecciones que en el ejemplo serían: 1/2, 1, 1/3.
III)
Se calcula el mínimo común múltiplo de las intersecciones con el fin de obtener los enteros más pequeños que guarden la misma relación. En el ejemploanterior, dichos números serían (3, 6, 2) que representarían los índices de Miller del plano.
Estos índices no sólo representan el plano en cuestión sino a todos los planos paralelos al mismo.
Las direcciones a través del cristal también pueden especificarse por medio de unos índices que dan las coordenadas de un punto situado sobre la línea que, pasando por el origen, es paralela a la dirección que se quiere especificar. Para distinguir los índices que definen una dirección de los que definen un plano, se escriben los primeros entre corchetes, [ ], y los últimos entre paréntesis, ( ). Las familias de direcciones y planos equivalentes se representan encerradas dentro de paréntesis angulares < > y llaves { }, respectivamente. Los índices de los planos y direcciones suelen elegirse de manera que sean los más pequeños posibles. En la figura 3.3 se pueden observar algunos ejemplos de planos en el sistema cúbico, mientras que en la figura 3.4 se muestran las direcciones más importantes de este sistema. La principal virtud de los índices de Miller radica en que simplifican notablemente la notación de la denominada R E D R E C Á P R O C A , cuyo estudio se sale de los objetivos de este libro. No obstante, conviene resaltar dos
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 50 50
Z
Z
Z
Y X X
(100)
Y
Y
X
X
(200)
Z
(001)
Z
Y
Y
X
Y X
(111)
(110)
Y
(010)
Z
X
Z
(212)
FIGURA 3.3. Z [001] Z = 1 [011] [101] [111]
[010] Y = 1
Y
X = 1
X
[100]
[110]
FIGURA 3.4.
importantes particularidades muy útiles, asociadas a los índices de Miller en el sistema cúbico:
I) Las direcciones [ H K L ] son siempre perpendiculares a los planos con los mismos índices ( H K L ).
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 51 51
II) La distancia interplanar de los planos ( H K L ), que se escribe D H K L , es inversamente proporcional a la suma de los cuadrados de los índices ( H 2 + K 2 + L 2). En concreto se cumple que D H K L =
A
H + K + L 2
2
2
, donde A es el parámetro de la red. De esta
fórmula, se deduce que los planos con menores índices son los más separados. Relacionado con la distancia interplanar, existe otro parámetro de interés denominado COMPACIDAD o grado de empaquetamiento de los átomos situados en un plano. Desde el punto de vista puramente geométrico, en general se cumple que los planos cuyos átomos están dispuestos de una manera más compacta son los que tienen una mayor separación interplanar. En el ejemplo de la figura 3.5, se observa que en el caso (a), al tener un grado de compacidad superior al caso (b), su distancia interplanar es mayor.
En la estructura cúbica centrada en las caras (CCC) y en la hexagonal compacta (HC), los planos más compactos son respectivamente los (111) y los basales (planos que corresponden a las bases del prisma de la figura 3.1). Dichos planos resultan de empaquetar esferas del mismotamaño en la forma más compacta posible, es decir que cada esfera se encuentre en contacto con seis esferas adyacentes, denominados próximos vecinos. Geométricamente, esta disposición da lugar a una red bidimensional de simetría hexagonal (cuya celda unidad es en realidad triangular). Una vez configurado este primer plano existen dos maneras alternativas de colocar los planos sucesivos.
d1
(a)
d2
(b)
FIGURA 3.5.
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 52 52
En el sistema CCC, las esferas de los sucesivos planos se van colocando en los huecos existentes en el anterior con una disposición que se repite cada tres planos, tal y como se muestra en la figura 3.6. En esta figura se observa que las esferas de la capa 4 están colocadas exactamente encima de las esferas de la capa 1. Llamando con las letras A, B, y C las configuraciones de las capas 1, 2, y 3, la secuencia de apilamiento de los planos se puede representar, de manera simplificada, como ABCABC... En este sistema cristalizan algunos de los metales más importantes, como son el Ca, Sr, Ni, Cu, Pd, Pt, Au, Pb, y Al. Otra manera de apilar los sucesivos planos se refleja en la figura 3.7. En este caso, la secuencia de apilamiento se repite cada dos planos (los
4 3 2 1
FIGURA 3.6.
átomos de la capa 3 se sitúan exactamente encima de los de la capa 1, en la figura 3.7), y serían los basales y los situados en el centro del prisma de la HC), y de acuerdo con la notación anterior se representa por ABABAB... Entre los metales que poseen esta estructura se encuentran el Be, Mg, Zr, Zn, y Cd. Otros metales, como el Li, Mo, Ta, W, y Nb, cristalizan en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (CC). En este caso, los planos más compactos son los (110), aunque con un grado de compacidad menor que los anteriores.
3 2 1
FIGURA 3.7.
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 53 53
El grado de empaquetamiento tiene importantes consecuencias en la deformación de un material. La deformación se puede esquematizar por el deslizamiento de unos planos cristalinos respecto de otros, de manera análoga al deslizamiento de los naipes de una baraja. En este esquema resulta evidente que dicho deslizamiento se ve favorecido en aquellos planos con mayor distancia interplanar, y que como ya se ha indicado poseen índices de Miller bajos y son los más compactos. Existen también los denominados E L E M E N T O S A L O T R Æ P IC O S , cuya estructura depende de la temperatura, como es el caso del Fe que tiene la estructura CC para T < 910°C, y la estructura CCC en el intervalo 910°C < T < 1.400°C y del Ti que tiene una estructura HC a temperatura ambiente, que se trasforma en CC a 883ºC. Como se verá más adelante, la alotropía propicia un tipo de tratamiento térmico que involucra cambio de estructura cristalina, denominado de trasformación total, de gran importancia técnica para mejorar las propiedades mecánicas.
3.4.
DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA
Aunque la estructura cristalina de un determinado material sea conocida, el parámetro de la red se modifica con la presencia de ligeras adiciones de elementos de aleación, pudiendo llegar incluso a cambiar la red cristalina. Como la estructura cristalina tiene gran importancia a la hora de determinar las propiedades mecánicas de un material, su conocimiento es sumamente útil. Para obtener la estructura cristalina de un sólido existe una técnica, uti lizada hoy día de manera convencional, basada en la D I F R A C C IÆ N D E R A Y O S 8 O DE E L E C T R O N E S . La técnica consiste en utilizar la propia red cristalina como red de difracción de una radiación monoenergética, cuya longitud de onda sea del orden de la distancia de la red de difracción a estudiar. Para ello se hace incidir un haz de rayos X o de electrones sobre la muestra a estudiar.
Como consecuencia de la difracción, la radiación emergente del cristal lo hace a lo largo de direcciones privilegiadas. Estas direcciones de salida vienen determinadas por la red espacial asociada a la estructura cristalina del sólido, o lo que es lo mismo a las distancias interplanares. Por otro lado la intensidad de cada haz emergente viene dada en función de la estructura de la base asociada a cada punto reticular. A pesar de no tratarse de una demostración rigurosa, es fácil ver, mediante consideraciones geométricas muy simples, la dirección de salida asociada a cada plano cristalino.
En la figura 3.8 se representa esquemáticamente el proceso de difracción que sufre un haz incidente por los planos paralelos distanciados
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 54 54
una cantidad D . En dicha figura el ángulo de incidencia debe ser igual al de salida puesto que si no la radiación emergente no estaría en fase dando lugar a su cancelación por interferencia. La condición necesaria para que las ondas emergentes estén en fase es que la diferencia de camino recorrido entre ellas sea múltiplo de la longitud de onda ( ) de la radiación. I II e
e e e C
d A
B
FIGURA 3.8.
De acuerdo con la figura, la diferencia de caminos entre ambas ondas es igual a la suma de los segmentos AB + BC = 2 D sen . Para que la interferencia de ambas ondas sea constructiva debe cumplirse que: D sen
= N
[3.1]
donde N es un número entero. A esta expresión se la conoce como Ley de Bragg. Para la línea principal de difracción, que suele ser la más intensa, N = 1 y por lo tanto: D sen
[3.2] Como sen
=
)1, para que haya
efectos de difracción se deberá
cumplir que la longitud de onda del haz incidente debe ser del orden del espaciado interatómico (10 10 m). El haz incidente suele estar formado por fotones, con una correspondiente a los rayos X, debido a su disponibilidad y a la mayor penetración que la que presentan los haces de electrones. En el caso de los electrones, y debido a su alta SECCIÆ N EFICAZ , los haces electrónicos difractados proceden de las últimas capas del sólido, que son las más cercanas a la superficie, por lo que la información es selectiva y referente únicamente a la superficie, lo cual resulta a veces sumamente útil cuando se quieren estudiar fenómenos superficiales. Para acentuar este efecto superficial se suelen emplear haces de electrones de baja energía. –
Por último resulta obvio mencionar que los fenómenos de difracción están circunscritos a materiales con orden de largo alcance y que, por tanto, los materiales amorfos no dan lugar a fenómenos de difracción
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 55 55
3.5.
FUERZAS INTERATÓMICAS Y MÓDULO DE YOUNG
En el tema anterior se ha visto como variaba la energía de interacción, dependiendo del tipo de enlace atómico. Una vez conocidadicha energía, es posible saber la fuerza que opera entre los átomos en función de su separación, R , de acuerdo con: & = – D5 DR [3.3] La variación de & y 5 con la distancia interatómica es la correspondiente a la figura 2.3. De la gráfica que representa & & ( R ) se deduce que si los átomos se separan una distancia igual a ( R n R 0) respecto de su posición de equilibrio, R 0, por efecto de un esfuerzo externo de TRACC IÆ N , aparece una fuerza que tiende a restaurar la situación de equilibrio. Esta fuerza es aproximadamente proporcional al desplazamiento, ( R n R 0), para pequeños valores del mismo, con una constante de proporcionalidad, K , que mide la rigidez del enlace. De manera esquemática se trataría del mismo problema que ocurre en la interacción entre dos masas unidas por un muelle de constante K . Por tanto: D& nK D R [3.4] K n
D & D R
2 D 5 / D R 2
[3.5]
El intervalo de fuerzas y desplazamientos en el que se cumple esta relación se conoce como intervalo elástico. Siguiendo con la analogía mecánica del muelle, imagínese que tenemos un sólido cuyos átomos, situados a lo largo de dos planos adyacentes, están unidos por muelles (ver figura 3.9). r0
m
m
r0 r0 r
FIGURA 3.9.
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 56 56
En esta imagen simplista supóngase que como consecuencia de aplicar una fuerzanormal a dichos planos, se separan una distancia R - R 0. Si el área del plano es 3 , se cumplirá que: = &3
.K ( R R
)
[3.6]
el número de enlaces siendo la TEN SIÆ N o fuerza por unidad de área, y . 2 o muelles por unidad de área. Puesto que R 0 es el área que corresponde a = 1/ R 02. Sustituyendo esta última expresión, y cada átomo se cumple que . teniendo en cuenta que la deformaciónunitaria es = ( R – R 0)/ R 0, se tiene que : = K R 0 = % [3.7] La constante de proporcionalidad % K R 0 entre la tensión y la deformación se denomina M Æ D U LO D E 9O U N G o módulo elástico, y representa la rigidez del sólido. El valor del módulo de Young en función de la energía de enlace sería: 1
%
R 0
2
2
D 5 DR
[3.8]
por tanto, derivando dos veces las fórmulas [2.1], [2.2] y [2.3], que expresan las energías de los diversos tipos de enlace, sería posible saber el valor de % para cada caso, al menos en primera aproximación. Aplicando este procedimiento se obtiene la siguiente tabla: Tipo de enlace covalente iónico metálico Van der Waals (polímeros)
Valor aproximado de E (GPa)
1000 30-70 30-150 2
donde para el caso del enlace metálico se ha utilizado la expresión [2.1], que es la que mejor lo describe. De esta tabla se deduce que los materiales más rígidos (% mayor) son los que poseen enlace covalente, a pesar de que el enlace iónico es el que tiene una energía de enlace superior (ver tabla 2.3). Ello se debe a que el valor de % es proporcional a la variación de la fuerza de enlace con la distancia para valores de R próximos a R 0 (ver fórmula [3.4]) y no al valor absoluto de la energía de enlace, ya que K = % R 0 es el valor de la pendiente de la función & & ( R ). Un valor de % equivalente al aquí calculado se podría haber obtenido si el esfuerzo hubiese sido de compresión, es decir aplicar un esfuerzo ex aproximase los semiplanos. terno que dos
ESTRUCTURA LOS SÓLIDOS INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES DE 57 57
A0 F
e
F
FIGURA 3.10.
El esfuerzo externo puede ser también de C IZ A L L A . En la figura 3.10 se presenta esquemáticamente la deformación de cizalla, = tan , de un sólido paralelepipédico. En este caso, la deformación de cizalla ( ) es tam& ! 0) en la región elástica. La biénproporcional a la tensión de cizalla ( constante de proporcionalidad se denomina módulo de cizalla ( ), 3 % . cumpliéndose en general que 5
' 8
'
TEMA 4 CRISTALES REALES
4.1.
INTRODUCCIÓN
En el tema anterior se vieron las distintas estructuras cristalinas que forman los sólidos. A los sólidos que poseen una configuración que corresponde a una celda unitaria que se repite a lo largo del espacio se le denomina cristal perfecto o ideal. No obstante, en los cristales reales la periodicidad perfecta de los cristales ideales se ve destruida, en mayor o menor medida, por los denominados defectos de red. Estos defectos son de distintos tipos, pudiendo clasificarseen defectos puntuales, lineales y de superficie. La existencia de defectos condiciona en gran medida el comportamiento del material haciendo que muchas propiedades mecánicas difieran sustancialmente de las correspondientes a un cristal perfecto. Los defectos distorsionan la red, modificando las propiedades de los sólidos, de manera que con un control adecuado de la densidad y configuración de los mismos, las propiedades mecánicas se puedenalterar a voluntad, dentro de ciertos márgenes.
4.2.
DEFECTOS PUNTUALES
Los defectos puntuales son imperfecciones cristalinas que involucran a uno o varios átomos de la red y desempeñan un papel fundamental en diversos procesos importantes, tales como son la deformación y la D IFUSIÆ N . Vacantes
Se denomina vacante a la ausencia atómica en un nudo de la red. A veces estos defectos se presentan en grupos de dos o más vacantes
CRISTALES REALES 60
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 60
agrupadas. A diferencia de otros defectos, las vacantes se encuentran de forma natural en los sólidos, y únicamente a la temperatura de 0 K no hay vacantes en EQ UI LIBR IO TERMODIN·MICO . En los cristales iónicos, es decir aquellos que poseen enlace iónico como por ejemplo el NaCl, la ausencia de un par de iones vecinos de distintos signos se denomina par de Scholtky, y a la vacante creada por el desplazamiento de un ión a una posiciónintersticial se denomina defecto Frenkel. La presencia de vacantes en equilibrio termodinámico a temperaturas superiores a 0 K se debe a la excitación térmica. Muchos procesos químicos y físicos que dependen del tiempo y la temperatura se rigen por una relación exponencial del tipo E ( 1 / ) denominada de Arrhenius. –
+4
En el caso de las vacantes se puede demostrar que: ) exp ( – % V / +4 N = .
[4.1]
donde N es el número de vacantes en equilibrio termodinámico a una temperatura 4 . es el número total de nudos de la red, + es la constante de Boltzman y % V es la energía de formación de una vacante. De esta fórmula se deduce que la concentración de las vacantes en estado de equilibrio crece muy rápidamente con la temperatura.
En los estados de equilibrio es muy importante la cinética del proceso que tiene lugar para alcanzar dicho equilibrio. En muchos procesos que se rigen por la ley de Arrhenius, la velocidad a la que se alcanza el equilibrio depende de la temperatura. A mayor temperatura, los procesos son más rápidos, hecho que puede ser muy útil para conseguir estructuras fuera de equilibrio. Por ejemplo, en el caso de las vacantes podemos obtener una concentración superior a la correspondiente al equilibrio termodinámico a una temperatura dada, sin más que llevar el sólido a esta temperatura desde otra mucho más elevada. Para ello sólo es necesario que el enfriamiento sea lo más brusco posible, objetivo que se cumple con que a la temperatura la aplicación de un tratamiento térmico de T E M P L E , y más baja la cinética de vuelta al equilibrio sea lenta. Como se verá más adelante, el tratamiento de temple es muy utilizado en metalurgia con el fin de obtener estructuras fuera de equilibrio que confieren al sólido propiedades que pueden ser de interés. Intersticiales
Se denomina intersticial a la presencia de un átomo en un sitio del cristal que no le corresponde. Los dos tipos de defectos intersticiales más importantes son los intersticiales por inserción y por sustitución.
CRISTALES REALES 61
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 61
Un intersticial por inserción tiene lugar cuando un átomo ocupa un lugar que no es nudo de la red. Como este átomo debe situarse en el hueco existente entre otros átomos, y este suele ser reducido, el átomo intersticial por inserción deberá ser un átomo de pequeño tamaño y normalmente distinto de los que componen el material base. Este es el caso de los aceros, donde los átomos de carbono se sitúan en posiciones de inserción entre los huecos dejados por la red de átomos de hierro que son mucho más grandes. Cuando en una red, cuyos nudos están ocupados por un determinado tipo de átomos, uno de los nudos es sustituido por un átomo de diferente especie, se produce un intersticial por sustitución.
4.3.
DEFECTOS LINEALES. DISLOCACIONES
Los defectos lineales, como su propio nombre indica, se extienden a lo largo de líneas, por lo que involucran a un mayor número de átomos que los defectos puntuales. El defecto lineal por excelencia es la DISLOCAC IÆ N , que puede ser de dos tipos: helicoidal o de tornillo y en arista o cuña. Las dislocaciones juegan un papel fundamental en los procesos de deformación plástica, y son las responsables de que la resistencia real de los materiales sea varios órdenes de magnitud inferior al valor teórico calculadopara un cristal perfecto. De acuerdo con lo visto en el tema anterior, el desplazamiento es proporcional a la tensión aplicada ( = E ). El máximo de la curva fuerza-distancia de la figura 2.3a se alcanza para R ~ 1.25 R 0. Si se supera esa fuerza se romperán los enlacesdando lugar a la fractura del sólido. Esa tensión teórica será: m
=
% (1.25 < 1) R 0 R 0
5
% 4
[4.2]
Cuando se rompe un material metálico, la experienciamuestra que la TENSIÆ N DE ROTU RA es ~10 6 % , muy inferior al valor % /4 de [4.2]. Esta enorme discrepancia, en varios órdenes de magnitud, no puede justificarse en base a la simplicidad del modeloseguidopara deducir [4.2]. Con el fin de explicar esta discrepancia fue necesario introducir un defecto denominado dislocación, cuya estructura teórica dedujeron simultáneamente en 1934, Taylor, Palanyi y Orowan. Años más tarde, mediante el microscopio electrónico de transmisión, se comprobó experimentalmente su existencia, con estructura igual a la que predijeron los autores mencionados, constituyendo uno de los ejemplos más brillantes de predicción teórica. –
CRISTALES REALES 62
4.3.1.
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 62
Dislocación en arista
La formación de una dislocaciónen arista puede idealizarsepor la inserción parcial de un semiplano atómico tal como se muestra en la figura 4.1a. El borde inferior del plano insertado en dicha figura es la línea de la dislocación, denominándose núcleo de la dislocación a un cilindro de unas pocas distancias interatómicas de diámetro, que contiene a la línea de la dislocación. Cuando se aplica un esfuerzo de cizalla (ver figura 4.1), la dislocación se desplaza sobre un plano produciendo una deformación permanente en forma de escalón al final del cristal. Semiplano insertado
Línea de la dislocación (a)
Esfuerzo de cizalla
b (b)
(c)
(d)
FIGURA 4.1.
En ausencia de la dislocación, y para producir el mismo efecto que el paso de aquella por el cristal, es preciso vencer de forma instantánea las fuerzas interatómicas de todos los átomos situados entre los dos bloques del cristal que se desplazan uno respecto al otro. Por otro lado, cuando la deformación se produce por el desplazamiento de una dislocación, las únicas fuerzas interatómicas que es preciso vencer en cada instante son únicamente las correspondientes a los átomos situados en la zona cercana a la línea de la dislocación, denominada núcleo de la dislocación. La dislocación avanza a pequeños saltos, cada uno de los cuales es igual al período atómico de la dirección de avance. Por tanto, para conseguir el mismo efecto final, resulta más fácil vencer cierta fuerzadurante un intervalo de tiempo finito, que una fuerza de muy superior magnitud en un tiempo instantáneo. El desplazamiento atómico que produce una dislocación en cada salto es igual al escalón que se produce cuando la dislocación alcanza la superficie del cristal y se denomina vector de Burgers, B . El vector de Burgers define por tanto la magnitud, dirección y sentido del deslizamiento de la dislocación. Para calcular dichovector basta con trazar una trayectoria r
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 63
en el sentido de las manecillas del reloj en torno al núcleo de la dislocación, recorriendo luego el mismonúmero de espacios atómicos en cada dirección en el cristal perfecto (ver figura 4.2). El vector que es necesario añadir para que la trayectoria sea cerrada es el vector de Burgers.
b
FIGURA 4.2.
4.3.2.
Dislocaciónhelicoidal
Una dislocación helicoidal supone una cizalla en el cristal. Para formar una dislocación helicoidal se corta parcialmente el cristal perfecto volviéndolo a unir, pero con un cierto desplazamiento paralelo al borde del corte (ver figura 4.3) que es la línea de la dislocación. Para ver de manera esquemática la formación de una dislocaciónhelicoidal, se parte de un cilindro al que se le realiza un corte longitudinal entre el eje y la superficie del mismo, tal y como se indica en la figura 4.3a. A continuación se vuelve a unir el cristal, pero desplazando el borde externo del cilidro AB, una magnitud B (B = un espaciado atómico) respecto al otro borde A’B’, en la dirección del eje del cilindro. En este esquema la línea de la dislocación correspondería al segmento LL’. Durante el proceso de deformación a través de una dislocación helicoidal, el movimiento de la línea de la dislocación es normal a la dirección de la fuerza aplicada, tal y como puede apreciarse en la figura 4.4. Por el contrario, la línea de una dislocación en arista se mueve en la misma dirección que la tensión (ver figura 4.2). Otra diferencia fundamental entre ambas dislocaciones consiste en que mientras que para la dislocación en arista el vector de Burgers es normal a la línea de la dislocación, para una helicoidal es paralelo. Movimiento de las dislocaciones
El proceso mediante el cual un material se deforma plásticamente por movimiento de dislocaciones se llama deslizamiento, que a su vez se
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 64
L
L
A
A b A'
A'
L' B
L' B B'
B' (a)
(b)
FIGURA 4.3. Tensión
b
Movimiento de la línea de dislocación (a)
Tensión
(b)
(c)
FIGURA 4.4.
caracteriza por el sistema de deslizamiento, definido por un plano y una dirección de deslizamiento. La dirección de deslizamiento es la dirección en la que se mueve la línea de la dislocación. Para una dislocación en arista, la dirección de deslizamiento viene dada por el vector de Burgers, mientras que para una dislocación helicoidal, la dirección de deslizamiento es normal a su vector de Burgers, tal y como se aprecia en las figuras 4.1 y 4.4.
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 65
El plano de deslizamiento es el definido por la línea de la dislocación y el vector de Burgers, y suele corresponder a un plano compacto, tal como se indicó al final del apartado 3.3. En el caso de una dislocación en arista, el vector de Burgers es normal a la línea de dislocación, definiendo por tanto un único plano de deslizamiento. Por el contrario, en una dislocación helicoidal el vector de Burgers es paralelo a la línea de la dislocación, y cualquier plano que contenga a la línea de dislocación será un posible plano de deslizamiento. Esta particularidad hace que, en general, las dislocaciones helicoidales sean más móviles que las de arista, especialmente a baja temperatura. Este último hecho se manifiesta en el denominado deslizamiento cruzado, mecanismo mediante el cual las dislocaciones helicoidales son capaces de superar los obstáculos que se oponen a su movimiento. Cuando una dislocación helicoidal se enfrenta a un obstáculo, tiene la posibilidad de cambiar a un segundo sistema de deslizamiento, siempre que esté favorablemente orientado y se cruce con el primitivo, pudiendo sobrepasar dicho obstáculo. En el sistema HC no es posible, en principio, el deslizamiento cruzado, puesto que los planos de deslizamiento (que son los basales) son paralelos entre sí, y no se cruzan. En los sistemas CCC y CC los planos de deslizamiento coinciden con los más compactos, que son {111} y {110} respectivamente, se cruzan, con lo que es posible el deslizamiento cruzado, favoreciendo la deformación del material. A temperaturas suficientemente altas, cuando los efectos difusionales son importantes, las dislocaciones en arista tienen la posibilidad de moverse por el mecanismo de trepado. Ello sucede cuando, por ejemplo, los átomos situados justo en la línea de la dislocación escapan de la dislocación por difusión, con lo cual la línea de la dislocación se desplaza a lo largo del plano insertado (ver figura 4.5). Mediante este mecanismo las dislocaciones en arista pueden superar los obstáculos a alta temperatura. Este mecanismo se dice que no es conservativo, ya que el plano de desplazamiento de la línea de la dislocación no contiene el vector de Burgers.
(a)
(b)
FIGURA 4.5.
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 66
La densidad de dislocaciones es un parámetro muy importante en el comportamiento mecánico de un material. En principio, para que se produzca la deformación, será necesario que existan gran número de dislocaciones en el material. No obstante, puede llegar un momento en el que debido a la alta densidad de dislocaciones, y dependiendo de su distribución y carácter, las dislocaciones interfieran entre ellas, dificultando su propio movimiento. Cuanto mayor sea esta interferencia, mayor será el impedimento para desplazarse, y por tanto aumentará la resistencia a la deformación plástica del material, fenómeno que, como se verá más tarde, se denomina endurecimiento por deformación. La densidad de dislocaciones presentes en un cristal es la longitud total de líneas de dislocación por unidad de volumen. Como la unidad de dicha densidad es el inverso de área al cuadrado, una segunda manera de representarla es mediante el número de dislocaciones que intersectan la unidad de área.
4.3.3. Propiedades de las dislocaciones En general, las dislocaciones que se encuentran en un cristal suelen ser mixtas, es decir parcialmente helicoidales y en arista. Ello se debea que a pesar de que a cada dislocación le corresponde un único vector de Burgers, la línea de la dislocación puede ser curva, variando el carácter de la dislocación a lo largo de la misma, dependiendo del ángulo formado entre el vector de Burgers y la línea de la dislocación en cada punto. Una propiedad muy importante de las dislocaciones es que sus líneas no pueden morir dentro del cristal. Por tanto la línea de una dislocación, salvo el caso que sea una curva cerrada como son los denominados lazos de dislocación, sólo puede terminar en la superficie del cristal, o en otros defectos, tales como las F R O N T E R A S D E G R A N O . Al contrario de lo que sucede con las vacantes, no puede haber dislocaciones en equilibrio térmico, porque su energía es demasiado grande comparada con el incremento de E N T R O PÁ A que producen. No obstante, no es posible evitar la presencia de dislocaciones en los cristales, ya que en el proceso de SO LID IFIC A CIÆ N , que inevitablemente se produce en condiciones fuera de equilibrio, se crean tensiones mecánicas cuya relajación produce dislocaciones. Para caracterizar una dislocación mixta basta dar su vector de Burgers, B , y su línea de dislocación. En las zonas de dislocación en arista pura, el plano de deslizamientoserá el definido por B y la línea de la dislocación, coincidiendo la dirección de deslizamiento con la de B . En las zonas de dislocación helicoidal pura el plano de deslizamiento será uno que contenga el vector B (o la línea de la dislocación, ya que es paralelaa
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 67
B ), y la dirección de deslizamientoserá normal al vector B .
4.3.4.
Fuerza para mover una dislocación
Una dislocación se mueve cuando la fuerza de cizalla que actúa sobre ella alcanza el valor necesario para vencer la resistencia intrínseca que opone la red del cristal a su movimiento. Supóngase una dislocación en arista que recorre totalmente el cristal bajo la acción de una tensión de cizalla, , aplicada sobre su plano de deslizamiento, siendo la distancia relativa que se ha desplazado un bloque del cristal sobre el otro igual a |B |. En estas condiciones, y de acuerdo con la figura 4.6, el trabajo realizado (7 = fuerza X desplazamiento) vendría dado por la siguiente expresión: 7 = ( L 1 L 2) B
[4.2]
ya que es la fuerza de cizalla por unidad de superficie. Por otro lado cuando la dislocación atraviesa el cristal, recorre una distancia L 2. El trabajo realizado en contra de la resistencia intrínseca que se opone al movimiento, por unidad de longitud de línea de dislocación, F , sería: 7 [4.3] = ( F L 1) L 2 Igualando ambas expresiones,resulta que:
o
f ob
b
l2 o
FIGURA 4.6.
l1
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 68
F
B
[4.4]
Por tanto, la tensión de cizalla, , aplicada sobre el plano de deslizamiento de la dislocación, ejerce una fuerza por unidad de longitud de la dislocación de magnitud B . Energía de una dislocación
Se puede demostrar que la energía de una dislocación es de tipo elástico, y que adopta una expresión: % !'B2 Log 22 0
[4.5]
donde !es una constante que depende del carácter de la dislocación, es el módulo de cizalla, |B | el vector de Burgers, y 2 y 2 son las distan0 cias a la línea de la dislocación entre las que se mide la energía elástica alno debe de exceder a las dimensiones del cristal y 2 > |B | macenada. 2 0 próximos a cero, las deformaciones son puesto que para valores de 2 0 demasiado grandes para que sea válida la teoría lineal de la elasticidad en la que está basada la ecuación [4.5].
'
Una cuestión importante que viene reflejada en la ecuación [4.5] es que la energía de la dislocación es proporcional a B 2. Por tanto, las dislocaciones energéticamente más viables serán las que tengan el valor de |B | más pequeño. Como el valor de |B | más pequeño coincide con la distancia interatómica en esa dirección (es decir el período mínimo o traslación elemental), las dislocaciones con |B | unitario serán las más favorables energéticamente. Además, como los períodos más pequeños se dan en los planos más compactos, el vector B estará contenido en esos planos, que como ya se ha visto en el tema anterior son además los planos más favorables al deslizamiento. Por lo tanto, la estructura cristalina es muy importante, pues determina el número de planos susceptibles de deslizamiento. Las traslaciones elementales más pequeñas de la red, y por tanto los vectores de Burgers más probables, son: B = A /2<110> para el sistema CCC, y B = A /2<111> para el CC.
4.4.
DEFECTOS DE SUPERFICIE
Existen diversos tipos de imperfecciones de superficie, viéndose a continuación las más significativas:
CRISTALES REALES 69
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 69
Superficie externa
El defecto más obvio es el constituido por la superficie externa del cristal, puesto que representa la frontera a lo largo de la cual termina la estructura del cristal. Los átomos de la superficie no están rodeados por el mismonúmero de átomos (próximos vecinos) que los situados en el interior del cristal, y por tanto poseen un estado de energía superior. Este exceso de energía, conocido como energía de superficie, se expresa en unidades de energía por unidad de área. Con el fin de reducir la energía de superficie, el orden atómico de los átomos superficiales suele diferir del correspondiente al interior del cristal, fenómeno que se conoce como reconstrucción. Esta reconstrucción puede observarse experimentalmente por difracción de electrones de baja energía (<100 eV) que apenas penetran en el sólido. Fronteras de grano
Normalmente los sólidos cristalinos no se presentan en forma de monocristales, es decir, no conservan una ordenación atómica repetitiva y periódica a lo largo de todo el sólido. Por el contrario, suelen estar compuestos por un conjunto de pequeños monocristales, denominados granos, unidos entre sí por las denominadas fronteras de grano. Ello se debe a que durante el proceso de solidificaciónexisten zonas del líquido (denominados «núcleos») en las que se inicia el proceso de solidificación. En dichos núcleos se forman pequeños cristales sólidos, que crecen conforme avanza el proceso de solidificación, cada uno de ellos con una orientación cristalográfica diferente.
Las fronteras de grano se forman cuando, durante la solidificación, los extremos de cada cristalito se encuentran con los vecinos. Por tanto, las fronteras de grano son regiones a lo largo de las cuales se acoplan dos cristales de orientación diferente. Su anchura es de unas pocas distancias interatómicas y su estructura es altamente desordenada. Debido a ello, los átomos de las fronteras de grano están unidos entre sí por enlaces cuyo número y orientación difieren de los correspondientes al cristal perfecto. Consecuentemente existe una energía de frontera de grano que aumenta con el grado de desorientación de los granos adyacentes. Las fronteras de grano constituyen zonas del material que son químicamente más activas que las del interior de los granos. Al poseer más espacios vacíos que el interior de los granos, las fronteras pueden actuar como sumideros de impurezas. Además, al ser las fronteras de grano las zonas en las que el material solidificamás tarde, será el lugar
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en donde se segreguen las fases con menor PU NTO DE FU SIÆ N . Todas estas circunstancias son importantes, ya que afectarán a la resistencia mecánica del material. A pesar de que en las fronteras de grano los átomos están desordenados, en muchos casos no tienen por qué ser los puntos más débiles del material desde el punto de vista mecánico. Este hecho tiene su comprobación experimental en la observación de las superficies de fractura, existiendo numerosos casos en los que la rotura ha sucedido por el interior de los granos (rotura transcristalina), lo que prueba, en estos casos, que las fronteras de grano son más resistentes que el interior de los mismos. Como las fronteras de grano suponen un obstáculo para el movimiento de las dislocaciones, la disminución del tamaño de grano es uno de los factores microestructurales que más resistencia confiere a un policristal en mecanismos de deformación a bajas temperaturas (se suele entender como alta temperatura cuando los procesos difusionales comienzan a tener importancia). Por último, señalar que las fronteras de grano constituyen caminos preferenciales para los procesos de difusión. Las fronteras de grano que se han discutido se refieren a las que acoplan granos con una desorientación superior a varios grados. Cuando los granos poseen una desorientación muy pequeña, la frontera entre los mismos se puede describir, en muchos casos, por medio de un sistema de dislocaciones como las que se ilustran en la figura 4.7. Los semiplanos adicionales que dan lugar a la desorientación se asocian a dislocaciones regularmente espaciadas. Frontera
b
h =
e
FIGURA 4.7.
b e
— —
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 71
En este esquema la desorientación, , entre los granos es = B / H , siendo H la distancia media entre dislocaciones. A los granos con fronteras de pequeño ángulo se les suelen llamar subgranos. Maclas
Aunque en la deformación de los cristales, el deslizamiento de dislocaciones es el proceso más importante, la deformación también se puede producir por otro proceso conocido como maclado, asociado a un defecto planar denominado macla.
En el deslizamiento, todos los átomos se han movido la misma distancia cuando este se completa. En la deformación por maclado, una región del cristal sufre una cizalla homogénea a lo largo de un plano (plano de la macla), dando lugar a una estructura cristalina igual que la original pero con una orientación distinta. Esto se produce cuando los átomos situados en cada plano sucesivose mueven en bloque una magnitud que es proporcional a la distancia entre ese plano y el plano de macla, dando lugar a una estructura especular de la red a un lado y otro del plano de macla, tal y como se muestra en la figura 4.8. En general, la tensión necesaria para deformar por maclado es superior a la necesaria para producir deformación por deslizamiento. La deformación plástica por maclado ocurre principalmente en los sistemas CC y HC, con planos de macla (112) y (102) respectivamente. Entre los metales que deforman por maclado, bien sólo o en combinación con el deslizamiento por dislocaciones, se encuentran el Pb, Zn, Mg, Bi, y el Sb. En el sistema CCC la deformación por maclado ocurre raramente. No obstante, se han observado maclas en ACEROS AUSTENÁTICOS (ver figura 10.10), así como en Ag, Au, Cu, y Ni cuando después de deformarlos plásticamente se les somete a un tratamiento de R E C O C I D O .
Plano de macla
FIGURA 4.8.
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 72
Defectos de apilamiento
En el tema 3 se vio que la disposición atómica de los planos {111} de la estructura CCC, y los basales de la HC, resulta de las dos posibilidades diferentes de empaquetar esferas en planos sucesivos. Para la estructura CCC la secuencia de apilamiento es del tipo ABCABCABC, mientras que para la HC es ABABAB. Cuando se infringe la secuencia de apilamiento, se produce el denominado «defecto de apilamiento». Por ejemplo, en la estructura CCC un defecto de apilamiento se obtendría suprimiendo un plano B dando lugar a la secuencia ABCACABC, que equivale a que la porción del cristal constituida por los planos CACA posea una estructura HC. Similarmente, en una estructra HC un defecto de apilamiento puede ser equivalente a introducir una región con estructura CCC, como sucede en los planos BACB en la secuencia ABABACBCBCB.
Aunque por su complejidad se sale de los objetivos de este libro, sí es interesante resaltar que, desde el punto de vista de la teoría de dislocaciones, un defecto de apilamiento se puede considerar como una región del cristal dislocada, limitada por dislocaciones parciales (una dislocación parcial es aquella cuyo vector de Burgers, en el plano de la dislocación, tiene una longitud inferior a la de los nudos de la red).
TEMA 5 PROPIEDADES MECÁNICAS
5.1.
INTRODUCCIÓN
Las propiedades mecánicas de un material reflejan su reacción frente a la aplicación de esfuerzos externos. Las propiedades mecánicas, como la ductilidad, tenacidad, rigidez o resistencia, pueden medirse por medio de diversos parámetros, como el A L A R G A M I EN T O , E STRICCIÆ N , L Á M I T E E L·S TICO , etc... Estos parámetros se obtienen a partir de los denominados ensayos mecánicos, mediante los cuales el material es sometido a diversos tipos de esfuerzos, como por ejemplo de compresión, tracción, F L E X IÆ N , IM PA CTO , TOR SIÆ N o fatiga. Sobre los materiales se pueden ejercer también otro tipo de acciones, como son las térmicas, magnéticas, eléctricas u otras, que sirvenpara caracterizar a los materiales denominados funcionales. Como se indicó en el tema 1, los materiales estructurales constituyen una rama dentro del conjunto de los materiales cuyo comportamiento en servicio viene caracterizado en gran medida por las propiedades mecánicas. Los materiales estructurales ocupan la primera posición tanto en volumen de utilización como económico, y son los que poseenuna tradición de uso más antigua. Sin embargo, su conocimiento científico es relativamente reciente, y tiene como objetivo principal relacionar la microestructura del material con sus propiedades mecánicas.
De manera general, se puede decir que la resistencia mecánica es la propiedad que caracteriza a los materiales estructurales, y mide la magnitud de la fuerza externa que es necesario aplicar para vencer las fuerzas internas entre las partículas fundamentales que forman el material. Normalmente, a los materiales estructurales se les exige que no sufran apenas distorsión bajo la acción de distintos tipos de esfuerzos, sobre todo cuando se encuentran en servicio. En el campo de lo que en ingeniería se conoce como procesos de producción, pueden ser deseables
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 74
otras propiedades. Así, por ejemplo, puede interesar que un material alcance una deformación permanente a expensas de la menor energía posible, es decir que sea dúctil. En el caso de los metales, cuando se deforman en el proceso de conformado, se produce un aumento de la resistencia mecánica como consecuencia del EN DU RE CIM IENTO P O R D E F O R M A C IÆ N . De esta manera, se aprovecha la ductilidad del material lo que facilita su conformado, mejorando a la vez su resistencia mecánica. Tanto la resistencia como otras propiedades mecánicas tales como la elasticidad, dureza y tenacidad se irán viendo a lo largo de este libro.
5.2. DEFORMACIÓN DEPENDIENTE Y NO DEPENDIENTE DEL TIEMPO Por simplicidad, imaginemos que se somete a un esfuerzo uniaxial de tracción un cilindro de material. Esto es, a una fuerza de dirección longitudinal a lo largo del eje del cilindro. Como consecuencia de la tensión, el cilindro se deformará en la dirección de la fuerza aplicada, alargándo. se una cierta longitud , Ahora bien, dependiendo de diversos factores, tanto intrínsecos al material, como extrínsecos al mismo (magnitud de la fuerza y temperatura), el material experimentará una deformación que podrá ser o no permanente, y depender o no del tiempo. La dependencia temporal se manifiesta cuando la magnitud de la deformación es función no sólo de la intensidad de la fuerza aplicada, sino también del tiempo de actuación de la misma o de la velocidad con la que se aplica.
Con el fin de aclarar conceptualmente los distintos tipos de deformación, se definirán cuatro comportamientos ideales. Para ello, imagínese un experimento en el que durante un tiempo T 0, se somete el material a una fuerzaconstante de tracción & 0. Una vez transcurrido el tiempo T 0 se suprime instantáneamente la fuerza y se observa la evolución de la deformación con el tiempo. En la figura 5.1 se muestran cuatro tipos de comportamientos ideales, frente a la acción de aplicar y suprimir instantáneamente una cargaconstante.
5.2.1. Deformación elástica En la figura 5.1a se representa el comportamiento puramente elástico. Cuando para T = 0 se aplica una fuerza & 0, el material alcanza de manera
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 75
L
L
t0
t
t0
t
(b)
(a) L
L
t t0
t t0 (d)
(c)
FIGURA 5.1.
instantánea una deformación que permanece constante durante el tiempo de aplicación de dicha carga. Posteriormente, para T = T 0, en el momento que se suprime la carga, el material recupera de forma instantánea su dimensión original. Por tanto, esta deformación será reversible e independiente del tiempo, y desaparece cuando se retira la carga. Este comportamiento se debe a que los átomos desplazados de sus posiciones iniciales como respuesta a la carga, vuelven a sus posiciones de equilibrio cuando se elimina la misma. Por tanto, la deformación elástica sólo depende de la magnitud de la fuerza aplicada, y desaparece cuando esta es eliminada.
5.2.2.
Deformaciónviscoelástica
De una manera muy simple, la deformación viscoelástica sería la deformación elástica que depende del tiempo. Esta deformación, que es de tipo no lineal, también se denomina deformación anelástica. En la figura 5.1b se observa que aunque el material recupera su forma original después de la aplicación de la carga (característica fundamental de la deformación elástica), no lo hace de manera inmediata. De la misma manera, cuando se aplica la carga la respuesta no es instantánea, sino que la deformación crecerá con el tiempo de aplicación de la carga. Por tanto, la deformación depende no sólo de la magnitud de la
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fuerza, sino también del tiempo durante el que actúa. Este tipo de comportamiento es muy común en los materiales poliméricos debido a la estructura de cadenas que poseen.
5.2.3. Deformación plástica Cuando el esfuerzo a que está sometido el material es suficientemente grande como para que haya deslizamiento de dislocaciones, se produce una deformaciónque permanece después de suprimir la carga.
El comportamiento idealmente plástico se esquematiza en la figura 5.1c, en la que por simplicidad se ha despreciado la componente elástica que siempre precede a la deformación plástica de cualquier material. La característica principal del comportamiento plásticopuro es la respuesta inmediata del material frente a la aplicación de la carga, que se manifiesta a través de una cierta deformación, que permanece constante con el tiempo, inclusocuando se elimina la carga. Una característica muy importante de la deformaciones plástica y elástica, no dependientes del tiempo, es la correspondencia biunívoca entre fuerza aplicada y deformación. Esto implica que para una determinada fuerza, el material se deforma una cierta magnitud, independientemente de la velocidad con la que se aplica la carga.
5.2.4.
Deformaciónviscoplástica
En este caso, la deformación del material cuando se aplica una carga que supera el límite elástico no es inmediata, y depende del tiempo de aplicación de la fuerza. En la figura 5.1d se representa esta situación en la que, al igual que en el caso anterior, no se ha representado la componente elástica. Este tipo de comportamiento prevalece sobre todo a altas temperaturas, en las que son importantes los fenómenos de difusión, y suele denominarse deformación por fluencia.
5.2.5. Caso general Normalmente, la respuesta de los materiales frente a un esfuerzo externo suele ser mixto, es decir con componentes que dependen y que no dependen del tiempo. Sí es posible, no obstante, que dependiendo de diversos factores, el peso de cada componente sea muy diferente, pudiéndose dar casos cercanos a los ideales vistos anteriormente.
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 77
En la figura 5.2 se representa el caso de un material sometido a un ensayo similar a los anteriores donde se dan los cuatro tipos de deformación. L B C A D E O
t
t0
FIGURA 5.2.
correspondería a la suma de las deformaciones elás! El segmento / "sería la suma de tica y plástica no dependientes del tiempo. El tramo ! las deformaciones dependientes del tiempo, es decir viscoelástica y viscoplástica. Una vez descargado el material para T T 0, el intervalo "# correspondería a la componente elástica y el #$ a la viscoelástica. Por último, la deformación permanente $% sería la suma de la componente plástica y viscoplástica. En lo sucesivo, mientras no se diga explícitamente, la deformación será no dependiente del tiempo.
5.3. DEFORMACIÓN DEPENDIENTE DEL TIEMPO: ENSAYO DE FLUENCIA La componente de la deformación dependiente del tiempo se pone de manifiesto cuando un metal se somete a carga a altas temperaturas, y se denomina deformación por fluencia. El término «alta temperatura» es necesariamente ambiguo, y corresponde a temperaturas para las que los procesos difusionales, a través de los cuales se manifiesta la dependencia respecto al tiempo, empiezan a cobrar importancia en los mecanismos de deformación, como sucede con el movimiento de dislocaciones por trepado. En base a este concepto, normalmente se entiende como altas temperaturas aquellas que son superiores a 0.4 4 (donde 4 es la temperatura de fusión en Kelvin). Los materiales poliméricos son especialmente sensibles a la deformación por fluencia y serán discutidos más adelante. F
F
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 78
Un ensayo de fluencia típico consiste en someter a un metal a una carga constante por encima de 0.4 4 y registrar la deformación en fun F ción del tiempo. Cuando se aplica la carga al material, sufre una deformación instantánea no dependiente del tiempo, seguida de una deformación dependiente del tiempo, que ocurre en tres etapas, tal y como se esquematiza en la figura 5.3. T Fractura o t n e i m a g r a l A
S
Fluencia primaria P O
Alargamiento instantáneo
Fluencia secundaria
Fluencia terciaria
Tiempo
FIGURA 5.3. / 0 , a lo largo de la cual la velocidad de deforiii) Fluenciaprimaria, / 0 ) disminuye con mación (pendiente de la curva en el intervalo el tiempo. Este efecto es debido a que el material se endurece a medida que progresa la deformación.
ii) Fluencia secundaria o estacionaria, que corresponde al intervalo lineal 03 de la gráfica de la figura 5.3, en la que la velocidad de deformación alcanza un valor mínimo, ˙mín, que es constante. la longitud inicial de Donde ˙ = D / D T , con = ,,0, siendo , 0 la probeta y , el alargamiento de la misma (eje de ordenadas de la figura 5.3). iii) Fluencia terciaria, 34 , en la que la velocidad de deformación . vuelve a aumentar hasta alcanzar la rotura del material en 4 Esta etapa coincide con la aparición de una reducción de la sección en un área local de la probeta, denominada estricción. A medida que aumenta la temperatura o la carga, crece la deformación instantánea y la pendiente de la fluencia estacionaria, a la vez que disminuye el tiempo de fractura (ver figura 5.4). En dicha figura, se puede observar que el tiempo necesario para conseguir un cierto alar, disminuye conforme aumenta la fuerza gamiento de la probeta, , y/o la temperatura. La curva inferior de la figura 5.4 corresponde a
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), donde la componente de la deformación deuna situación (4 < 0.4 4 F pendiente del tiempo es despreciable, al ser cero el valor de la velocidad mínima de fluencia. Ello se traduce en que para un determinado valor de la fuerza aplicada sólo existe un único valor de la deformación, independientemente del tiempo de aplicación de dicha carga. Posiblemente, el parámetro más importante en un ensayo de fluencia sea la pendiente de la curva de fluenciadurante el estado estacionario, o velocidadmínima de deformación, ˙mín. La definición general y cálculo de la velocidad de deformación, ˙, se realiza en el apartado 5.4. Cuanto maL
x
T3 > T2 > T1 F3 > F2 > F1 x
T3 o F3
T2 o F2 x
L
T1 o F1 T < 0,4 T f t1
t2
t3
t
FIGURA 5.4.
yor sea la temperatura de ensayo, mayor será la componente de la deformación dependiente del tiempo, hecho que se refleja en el aumento de ˙mín con la temperatura, tal y como se observa en la figura 5.4. Como los ensayos son más fáciles de realizar a temperatura constante, la dependencia respecto al tiempo se mide a través de la variación de la velocidad mínima de fluencia con la fuerza aplicada. Para ello, y para una cierta temperatura, se somete cada probeta a una carga diferente, y se registra su alargamiento en función del tiempo. Así, para temperatura constante, la figura 5.4 representaría el resultado de tres probetas sometidas a las cargas & 1, & 2 y & 3. En dicha figura se observa que conforme aumenta la carga aplicada aumenta ˙mín . Hay estudios que muestran que, para temperatura constante, la carga y ˙mín siguen la siguiente relación empírica: = !( ˙mín) M , donde la tensión se define como la fuerza o carga aplicada dividida por la sección de la probeta sujeta a ensayo. El parámetro !depende de las características del material, y el parámetro M , que es el exponente de la velocidad
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de deformación mínima de fluencia (que normalmente se abrevia como exponente de la velocidad de deformación), se denomina sensibilidad a la velocidad de deformación(36$ ), cuyo valor, que oscila entre cero y la unidad, da una idea del mecanismo de deformación que opera en ese régimen de tensión o de velocidad de deformación para una temperatura dada. Para la obtención experimental de M , se representa la tensión aplicada, , en función de la velocidadmínima de fluencia, ˙mín, en una escala doblemente logarítmica, a temperatura constante. De acuerdo con la expresión = !( ˙mín) M . La gráfica así representada se ajusta a una recta, de cuyapendiente se obtiene el parámetro M = D (log )/ D (log ˙mín ). De dicha expresión, se deduce que varía más deprisa con ˙mín conforme mayor es la sensibilidad a la velocidad de deformación, M . Cuando M = 0, es igual a la constante !y no depende de ˙mín, es decir la deformación no depende del tiempo que correspondería a la curva de 4 < 0.4 4 F representada en la figura 5.4. La mayoría de los metales, en un régimen intermedio de carga y de velocidad de deformación ( ˙mín 5 10 3 S – 1), poseen un valor de M en torno a 0,2. En estos casos, aun produciéndose la deformación por movimiento de dislocaciones, dicha deformación está controlada por la difusión atómica, es decir que las dislocaciones son capaces de superar los obstáculos que encuentran en su movimiento mediante el trepado, mejor que por el cambio de plano de deslizamiento a través, por ejemplo, del deslizamiento cruzado. –
En ocasiones, en vez de utilizar como parámetro característico la sensibilidad a la velocidad de deformación, M , se emplea su inverso, al que se denomina exponente de la tensión, y se designa con la letra n, cumpliéndose que N = M – 1. En este caso la expresión = !( ˙mín) M , se escribiría ˙mín = " N .
5.4. DEFORMACIÓN NO DEPENDIENTE DEL TIEMPO: ENSAYO DE TRACCIÓN La componente de la deformación dependiente del tiempo disminuye con la temperatura. No obstante, resulta prácticamente imposible que el comportamiento mecánico de un material sea totalmente independiente del tiempo, aunque se considera que a temperaturas por debajo de 0,3 4 , la componente viscoplástica es prácticamente despreciable. F
Anteriormente se ha visto que cuando se desea estudiar la componente viscoplástica, el ensayo mecánico que mejor la pone de manifiesto
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 81
es aquel en el que a la probeta se le impone una carga constante. Este procedimiento no suele ser el habitual cuando se estudia la componente de la deformación no dependiente del tiempo. Por ejemplo, en el ensayo de tracción se impone a una probeta una velocidad de alargamiento constante, lo que da lugar a una tensión uniaxial creciente a lo largo del eje de la probeta. En la figura 5.5 se presenta un esquema de una probeta cilíndrica empleada en los ensayos de tracción. Los extremos de la probeta con mayor sección se denominan cabezas, y van sujetos a las mordazas de la máquina de ensayo. La parte central de la probeta, que posee , siendo D el diámetro de la sección uniforme, se denomina longitud útil, , sección útil y R el radio de acuerdo, cumpliéndose normalmente que , > 5 D . Al ser esta zona mucho más delgada que la de las cabezas, la fractura se producirá en ella, por ser la parte más débil de la probeta. L
d
D
Radio de acuerdo
FIGURA 5.5.
Las mordazas están unidas a los dos travesaños de la máquina, uno de los cuales es móvil. En las máquinas de husillo, un esquema de la cual se presenta en la figura 5.6, el travesaño móvil puede desplazarse en ambas direcciones, lo que permite alargar o contraer la probeta a la velocidad de travesaño elegida. Conectado a uno de los travesaños se encuentra un sensor, denominado celda o célula de carga, que mide la fuerza que se ejerce sobre la probeta en cada momento. Del conocimiento en cada instante del alargamiento frente a la fuerza, se extrae la curva fuerza-alargamiento. Cuando en una máquina como la de la figura 5.6 se realiza un ensayo de tracción, se obtiene una curva donde la fuerza se representa sobre el eje de ordenadas y el desplazamiento de la máquina, equivalente al alargamiento de la probeta, sobre el eje de abcisas. (diEn la figura 5.7, se observa que la probeta de longitud inicial , 0 bujada en línea continua) reduce su sección como consecuencia de la
MECÁNICAS PROPIEDADES 82
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 82
Célula de carga
Mordazas Probeta
Travesaño móvil
FIGURA 5.6.
L/2
L
L0
L/2
F
FIGURA 5.7.
deformación hasta una longitud , , (dibujada en línea disconti + , 0 nua). El ensayo de tracción es de tipo destructivopuesto que la probeta termina deformando plásticamente, llegando a la rotura de la misma. Las características de la curva fuerza-alargamiento dependen del material y de la geometría de la probeta. Por ejemplo, es evidente que para un , la deformación sufrida por una probeta cuya mismo alargamiento ,
MECÁNICAS PROPIEDADES 83
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 83
, será proporcionalmente mayor que el de otra prolongitud inicial es , 0 beta con longitud inicial 2, . Con el fin de minimizar este tipo de efectos 0 geométricos se utilizan las deformaciones y tensiones ingenieriles y . La tensión ingenieril o convencional, , se define como la fuerza : aplica- da dividida por la sección inicial del cilindro, ! 0
= & ! 0
[5.1]
La dimensión de es de fuerza dividida por superficie, y como unidad habitual se emplea el megapascal (1 -0A= 10 6 . m-2). Como consecuencia de la tensión aplicada, la longitud útil de la pro, igual a la diferencia entre la beta se alargará una cierta cantidad , , y la inicial, , . Se define el alargamiento ingenieril o longitud final, , 0 convencional, , como el alargamiento producido por unidad de la longitud inicial, es decir:
= ¡
<
0
=
,,
0
,
6
,
[5.2]
0
,
que tiene carácter adimensional. La deformación convencional también suele expresarse en tanto por ciento, sin más que multiplicar por 100 el cociente ,,0. Una curva de tensión-deformación representativa se muestra en la figura 5.8. Como se puede observar, para pequeñas tensiones la deformación depende linealmente de la tensión, y desde el punto de vista práctico obedece a la L E Y DE (OOKE , y corresponde a la deformación elástica. La pendiente de esta zona lineal inicial, que es la relación entre la tensión aplicada y la deformación, es el módulo de elasticidad o de Young, % , que está relacionado con la rigidez del material. Por tanto, en esta zona lineal se cumple que = % . Debido al carácter adimensional de la deformación, , las unidades de medida de % son las mismas que las de . La medida de % a partir de la pendiente inicial de la curva – no es muy pre- cisa. La medida del módulo elástico se realizan a partir del estudio de los modos de vibración del sólido. Cuando el valor de la tensión sigueaumentando, llega un momento en que se alcanza el límite elástico, perdiéndose la dependencia lineal y entrando la deformación de la probeta en el régimen plástico. La transición entre el comportamiento elástico y plástico es gradual para la mayoría de los metales. En la gráfica tensión-deformación esta transición se observa porque la curva se aparta de la linealidad disminuyendo su pendiente la deformación plástica. conforme aumenta
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m
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–
R xF
–
–
–
–
– – –
Límite elástico con×vencional
– –
–
0
0
0,10 –
– – – – –
0 ,20 –
0,005
–
0,40 0,30 – ¡
FIGURA 5.8.
Cuando se supera el límite elástico, el material se deforma plásticamente debido al movimiento irreversible de dislocaciones. Cabría pensar que la deformación plástica tendría lugar a una tensión constante correspondiente a la necesaria para que se desplacen las dislocaciones. Sin embargo, en la figura 5.8 se observa que la deformación plástica no tiene lugar a tensión constante sino que su valor aumenta con la deformación, que se hace máxima en el punto R. Este comportamiento se debe a un fenómeno, denominado endurecimiento por deformación, cuyo mecanismo responsable se verá más adelante.
Un parámetro importante, a la hora de caracterizar las condiciones experimentales del ensayo de tracción, es la denominada velocidad de de, donde 6 / , es la velocidad de formación, que se define como ˙ = 6 0 M alargamiento, o de desplazamiento del travesaño de la máquina. Como se puede observar, la velocidad de deformación tiene dimensiones del inverso del tiempo, y crece conforme aumenta la velocidad de travesaño y/o disminuye la longitud inicial de la probeta. Anteriormente se vio que los ensayos de fluencia, es decir, en los que se impone una carga constante a alta temperatura, dan una idea de la componente de la deformación dependiente del tiempo, a través de la SVD. Los ensayos de fluencia tienen la ventaja de representar de manera bastante real y fidedigna la deformación dependiente del tiempo, pero poseen la desventaja de presentar complicaciones experimentales derivadas de los largos períodos de tiempo necesarios para su realización. En este contexto, los ensayos de tracción pueden ser muy útiles, puesto M
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 85
que también son sensibles a la componente de la deformación dependiente del tiempo. La dependencia respecto al tiempo en los ensayos de tracción se manifiesta a través de su dependencia con la velocidad de deformación aplicada. Si la componente de la deformación dependiente del tiempo es nula, la correspondencia entre tensión y deformación tendría carácter biunívoco, y todas las curvas – deberían ser idénticas en ensayos de tracción realizados a diferentes velocidades de deformación. Por tanto, la forma más clara de mostrar la dependencia respecto al tiempo en un ensayo de tracción es realizar varios ensayos sobre probetas iguales a diferentes velocidades de deformación. Cuando la componente dependiente del tiempo es apreciable, las curvas – se desplazan hacia tensiones más elevadas,a medida que aumenta ˙, tal como se muestra en la figura 5.9a. En esta figura, que corresponde a ensayos realizados a temperatura ambiente sobre aluminio puro, se han representado valoresdenominados reales, cuyo significado se verá al final de este tema, y al haberse suprimido la parte elástica, ésta coincide con el eje de ordenadas. En este caso es posible conocer, para una deformación, , constante, los valores que toma la tensión para cada una de las curvas realizadas a distintas ˙. Asumiendo que las tensiones obtenidas para distintas velocidades de deformación en un ensayo de tracción, equivalen a las tensiones que se obtendrían para las distintas velocidades mínimas de deformación en un ensayo de fluencia, se cumple que = !˙ M , y es posible conocer M a partir de ensayos de tracción utilizando la metodología empleada en los ensayos de fluencia. Es decir, la sensibilidad a la velocidad de deformación, M , para la temperatura a la que se han realizado los ensayos de tracción sería la pendiente de la recta cuando se representa log ˙ frente a log para una deformación fija, .
Experimentalmente, otra manera de obtener un valor de M es variar bruscamente la velocidad del travesaño durante la realización de un ensayo de tracción (y por tanto variar ˙), tal como se puede observar en el ensayo de la figura 5.9b, realizado sobre una aleación de aluminio endurecida por dispersión. Si la deformación es totalmente independiente del tiempo no debe haber ningún salto en el valor de la tensión cuando se varía la velocidad del travesaño. La dependencia respecto del tiempo, se manifestará en un aumento de cuando lo haga ˙, y la 36$ se podrá calcular, como en el caso anterior, a partir de la expresión M = D (log )/ D (log ˙).
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 86
100 ) a P M (
80 •
¡=
10
–
2
s
–
1
R
m
60
l a e r n ó i s n e T
•
¡=
40
10
–
3
s
–
1
20 •
¡=
0 0
0,05
0,1
0,15
0,2
Deformación real
10
–
4
s
–
1
0,25
0,3
¡ R
FIGURA 5.9a.
120
m6 •
6
m5
) a P M (
•
100
5
m4 •
4
R
m
l a e r n ó i s n e T
80
m3
•
3
m2 •
60
2
m1
•
¡ 1
•
<
¡ 2
•
<
•
¡ 3
<
•
¡ 4
•
<
¡ 5
<
¡ 6
•
1
40 0 0
0,02 0,04
0,06
Deformación real
FIGURA 5.9b.
0,08 ¡ R
0,1
MECÁNICAS PROPIEDADES 87
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 87
5.4.1. Límite elástico En muchas estructuras, el diseño sólo permite que exista deformación elástica como respuesta a la tensión aplicada. Por tanto, resulta de gran interés conocer el nivel de esfuerzo máximo que es posibleaplicar sin que ocurra la deformación plástica. En principio, dicho esfuerzo correspondería al punto en que se rompe la linealidad en la curva - , denominado límite elástico proporcional. No obstante, y al igual que sucede con % , en la mayoría de las ocasiones no es posible determinar en qué zona de la curva se rompe la linealidad de manera precisa, lo que impide fijar la posición del límite elástico a partir de dichas curvas. No existe un método fiable y reconocido bajo norma que permita conocer el límite elástico proporcional sin ambigüedad. Ello se debe a que el valor de dicho límite depende de la precisión con que se mida la deformación, de tal manera que conforme aumenta dicha precisión disminuye el valor del límite elástico proporcional. Esta ambigüedad en su determinación da lugar a que el mismo ensayo realizado sobre el mismo material pero en diferentes máquinas, proporcione valores diferentes del límite elástico. Muy recientemente, y gracias a que el control de las máquinas modernas se hace por ordenador, es posible, a partir de gráficas digitalizadas, extraer la posición del límite elástico proporcional con bastante precisión. Por ejemplo, algunos investigadores sitúan dicho límite en el mínimo de la tercera derivada de la tensión respecto a la deformación ( D 3 / D 3). Desde el punto de vista ingenieril, y para obviar las dificultades en la concreción del valor del límite elástico proporcional, se utiliza el denominado límite elástico convencional. Este valor, que puede ser medido con una gran reproducibilidad, se calcula construyendo una paralela a la porción lineal inicial de la curva – , pero desplazada una = 0,002 (o sea un 0.2%). El límite elástico convencional, en lo sucesivo deno- minado por simplicidad límite elástico (aunque estrictamente hablando es diferente), se define como la tensión a la cual intersecta dicha paralela con la curva tensión-deformación (ver fig. 5.8), y se le suele designar como y o 0,2.
5.4.2.
Resistencia máxima
Una vez superado el límite elástico, la tensión necesaria para conti nuar la deformación plástica aumenta hasta que se alcanza un máximo (punto 2 en la fig. 5.8), para luegodisminuir hasta el punto & de fractura. La tensión correspondiente al punto 2 se denomina resistencia a la tracción o resistencia máxima.
MECÁNICAS PROPIEDADES 88
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Antes de llegar al punto R la deformación sufrida por la probeta es uniforme, es decir que la reducción de sección es la misma a lo largo de la longitud útil de la probeta. Una vez superado este punto se empieza a formar la estricción o reducción de la sección en una zona localizada de la probeta, que es la que a partir de ese momento soporta la carga aplicada. A partir de ese momento la deformación se limita a esa zona y la tensión necesaria para que prosiga la deformación va disminuyendo debido a la progresiva disminución local de la sección, hasta que se alcanza la rotura, que precisamenteocurre dentro de dicha zona.
5.4.3. Ductilidad La ductilidad es otro parámetro importante en la descripción del comportamiento mecánico, y es una medida de la cantidad de deformación plástica que es capaz de soportar el material antes de romperse. Un material que experimenta muy poca o nula deformación plástica antes de la rotura recibe el nombre de «frágil» y en general no es deseable. Generalmente, la ductilidad se describe por medio de dos parámetros que son el alargamiento (! %) y la reducción en área (: %), ambos expresados en tanto por ciento.
El alargamiento se define como: ! % =100¡ = 100
6
= 100
,
(
)
, – ,
0
F
[5.3]
0
,
,
es la longitud útil donde es la deformación convencional de fractura, , 0 es la longitud final de la probeta, una vez rota. inicial de la probeta y , F
F
Igualmente, la reducción en área se define como: % =100 :
! (! 0 F ) –
[5.4]
! 0
y ! son las secciones inicial y final de la probeta en la zona de la donde ! 0 fractura. F
Suponiendo que el material ensayado es incompresible (volumen constante), y que la sección final de la probeta una vez rota, !es uni, , y se = !, forme a lo largo de toda ella (no hay estricción), entonces ! 0 0 cumple: F
F
F
MECÁNICAS PROPIEDADES 89
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 89
! %
100
=
: %
[5.5]
100 : % –
La medida de la ductilidad por medio de la reducción del área, tiene el inconveniente de que, en materiales muy dúctiles, a menudo es difícil medir el área final en la zona de la fractura, por ser esta muy pequeña, sobre todo en probetas de secciónrectangular. Por otro lado, tomar el alargamiento como una medida de la ductilidad tiene el inconveniente de que es la suma de dos contribuciones, una de las cuales depende de la geometría de la probeta. Una contribución se debe al incremento de longitud sufrido por la probeta antes del punto 2 (ver figura 5.8), que crece conforme lo hace la longitud de la probeta. La otra consiste en la progresiva localización de la deformación a partir del punto 2 , a veces llamado post-uniforme, cuya magnitud y zona afectada no depende de la longitud de la probeta. Por tanto, cuando la probeta es muy larga en relación a su diámetro, la contribución del alargamiento de la zona de estricción al alargamiento total, , es muy pequeña. Por el contrario, en una probeta de pequeña longitud, el alargamiento localizado contribuye de manera importante al valor del alargamiento total . Estos inconvenientes pueden minimizarse si el valor del alargamiento se descompone en dos partes, el uniforme y el post-uniforme, de manera que = + U . PU Como se verá más adelante el valor del alargamiento uniforme está relacionado con la componente de la deformación no dependiente del tiempo, a través del endurecimiento por deformación. Por otro lado, el valor del alargamiento post-uniforme está relacionado con la componente de la deformación dependiente del tiempo, a través del parámetro M que cuan. Efectivamente, en la zona donde comienza la estricción la tifica la 36$ deformación sólo afecta a una pequeña porción de la probeta, y por tan longitud de la , , es precisosustituir , to en la expresión ˙ = 6 0 por la M 0 , lo que implica que probeta afectada por la estricción, muy inferior a , 0 en la zona de estricción se produce un aumento considerable de la velocidad de deformación. Cuanto mayor sea el valor de M , mayor será el que tenga ˙ M , y por tanto también lo será , de acuerdo con la expresión = !˙ M . Este endurecimiento en la zona de estricción hace que el material sea capaz de seguir deformando sin fracturarse, a pesar de la aparente disminución de su resistencia debida a la paulatina disminución local de sección. Experimentalmente se observa que un aumento de M da lugar a un mayor alargamiento post-uniforme, o lo que es lo mismo una zona afectada por la estricción más grande que se vuelve más difusa, acompañada F
F
F
F
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INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 90
de un aumento en la reducción de área. En la figura 5.10 se muestra de manera esquemática este comportamiento. La figura 5.10a es una probeta de tracción antes de ensayar, mientras que en la figura 5.10b y 5.10c se presentan dos probetas ensayadas cuyos alargamientos corresponden a un M pequeño y a un M grande, respectivamente. Se puede apreciar que la probeta de la figura 5.10c tiene una zona de estricción que abarca a una gran parte de la misma y que su reducción de área es considerable, que corresponde a un comportamiento dúctil. Por el contrario, la figura 5.10b representa una probeta con un comportamiento a
b
c
FIGURA 5.10.
macroscópico frágil, ya que apenas posee alargamiento y su reducción de área es muy pequeña.
En ciertos materiales sucede que, bajo ciertas condiciones de temperatura y carga, poseen un valor de M muy grande (próximo o superior a 0.5), que implica que el material deforma superplásticamente, es decir, que es capaz de sufrir grandes alargamientos sin que se aprecie deformación localizada o estricción, por ser esta muy difusa. El modelo de comportamiento superplástico más corriente es por deslizamiento de fronteras de grano, y suele darse en materiales que son capaces de mantener estable a alta temperatura una microestructura de pequeño tamaño de grano. Ello puede conseguirse con estructuras bifásicas, donde la misión de una de las fases es anclar las fronteras de grano, impidiendo su crecimiento. Cuando M = 1 el régimen es viscoso puro. Por el contrario, si M es muy pequeña, entonces la zona donde se produce la estricción no endurece y el material rompe enseguida, porque no es capaz de aguantar la tensión aplicada en cuanto se produce la más mí sección. nima reducción en la
MECÁNICAS PROPIEDADES 91
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 91
5.4.4. Tenacidad La tenacidad es una de las propiedades mecánicas que a menudo determina la utilización de un material en muchas aplicaciones. La tenacidad es una medida de la energía necesaria para deformar plásticamente y romper un material. La tenacidad mide el balance entre la energía necesaria para propagar la grieta y la energíaabsorbida por el material. La tenacidad, C , se define como la energía absorbida por unidad de área de la grieta. En un ensayo de tracción, el área encerrada en la curva - tiene unidades de energía por unidad de volumen, y está directamente relacionada con la energía necesaria para romper el material. Por tanto dicha área es una medida de C , de manera que si esta aumenta, también lo hace el área encerrada en la curva − . La tenacidad, al igual que la ductilidad y la tensión, dependen de las condiciones del ensayo.
'
'
La medida práctica de la tenacidad se realiza a través de ensayos con diferentes péndulos, como se verá posteriormente, cuya característica principal es que la velocidad de deformación es muy alta. La condición de fractura frágil instantánea es m
A = /
%
'
[5.6]
Esta ecuación dice que la fractura frágilocurre cuando la grieta alcanza una longitud A en un material bajo una tensión . Esta condición depende de dos propiedades del material que son % y , donde % es el módulo elástico y es la tenacidad o energía consumida en crear la unidad de superficie de fractura. La expresión [5.6] muestra que la combinación de tensión, , y longitud de grieta, A , a la que se propaga una grieta, es una constante del material. El término m / A es el factor de intensidad de es-
'
'
. Cuando + alcanza un valor fuerzos, y se le suele denominar con la letra + crítico, + C = % , entonces la fractura se propaga instantáneamente
'
5.5.
OTROS ENSAYOS MECÁNICOS
Además del ensayo de tracción, existen otros ensayos que proporcionan información sobre el comportamiento mecánico no dependiente del tiempo, algunos de los cuales se verán a continuación.
MECÁNICAS PROPIEDADES 92
5.5.1.
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 92
Ensayo de compresión
Un ensayo parecido al de tracción es el de compresión, aunque en este caso lo que se hace es comprimir la probeta haciendo que disminuya su longitud. Cuando se utilizan tensión y deformación convencionales (ingenieriles) no existe simetría entre las curvas de tracción y compresión, puesto que no existe un máximo en la curva compresión-deformación convencional, al no haber estricción. Además, el modo de fractura también es diferente al que sucede en tracción, ya que en compresión las grietas se propagan de manera estable, tendiendo a cambiar a una dirección de propagación paralela al eje de compresión. La fractura no se produce por la rápida propagación de una grieta, sino por el lento avance de multitud de grietas que conducen a la trituración final del material. Este ensayo suele utilizarse para medir el límite elástico en materiales frágiles, ya que en este caso se pueden alcanzar deformaciones plásticas superiores a las que se consiguen en tracción.
5.5.2.
Ensayo de dureza
Otra ensayo mecánico muy importante es el de dureza, que mide la resistencia del material a experimentar deformación plástica localizada. Las máquinas de dureza consisten en identadores a los que se fuerza a penetrar sobre la superficie de un material. La profundidad o el tamaño de la huella dejada por el identador es indicativo de la magnitud de la dureza del material, de manera que cuanto mayor es la huella menor es el valor de dureza.
El valor de la dureza de un material es sólo un número relativo que sirve de comparación con los valores obtenidos para otros materiales. Al existir diferentes ensayos de dureza, que dependen de la forma y el tamaño del identador, es preciso tomar precauciones a la hora de comparar valores de dureza obtenidos por diferentes técnicas. Para un determinado ensayo de dureza, como puede ser el Brinell, los valores de dureza obtenidos son proporcionales a la resistencia que se obtendría en una ensayo de tracción. La utilidad del ensayo de dureza es que, aunque como ya se ha dicho sus valores son relativos, resulta más sencillo de realizar que el de tracción. El único requerimiento, en cuanto a tipo de probeta, es que esta posea una superficieplana y unas ciertas dimensiones superiores a un valor determinado, con el fin de evitar efectos de borde. Otra gran ventajade los ensayos de dureza es que no son destructivos.
MECÁNICAS PROPIEDADES 93
5.5.3.
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 93
Ensayo de torsión
El ensayo de torsión consiste en someter a una probeta cilíndrica al giro de una de las cabezas mientras se mantiene la otra fija. El esfuerzo a que se somete el cilindro es: o=
164 3 $
[5.7]
donde es la tensión de cizalladura, 4 es el momento y D el diámetro de la barra. La deformación en la superficie de la probeta se define como: a =
R e
[5.8]
,
donde es la deformación de cizalla, el ángulo de torsión y , y R la longitud y radio de la barra respectivamente. Cuando se representa frente a , se obtiene una curva parecida a la de un ensayo de tracción. Debido a la configuración de este ensayo, se pueden obtener unos valores de deformación y de velocidad de deformación mucho más altos que en los ensayos de tracción, razón por la que tienen mucha uti- lidad como simuladores de los procesos de laminado y extrusión.
5.5.4.
Ensayo de impacto
Un material que se comporta de forma dúctil (que alarga mucho a tracción) puede, bajo ciertas condiciones, romper de manera frágil. En los metales este cambio de comportamiento se llama transición dúctil-frágil, y ocurre en casi todos los metales salvo en los que cristalizan en el sistema CCC. Esta transición tiene lugar a una determinada temperatura, denominada de transición dúctil-frágil. El valor de la temperatura de transición dúctil-frágil aumenta cuando lo hace la velocidad de deformación y/o cuando se crean entallas geométricas. El intervalo de temperaturas sobre el que se produce la transición dúctil-frágil es particularmente importante. Para su estudio se someten probetas especialmente diseñadas para ensayos de impacto mediante péndulos del tipo Charpy e Izod, en los que la velocidad de deformación es muy alta. La probeta tiene forma paralelepipédica con una entalla en uno de sus lados en forma de 6 , y la carga se aplica sobre el lado contrario a la entalla. El péndulo se deja caer desde una altura inicial prefijada, golpea la probeta que está situada en la parte inferior, y luego se mide la altura final a la que llega el péndulo después de impactar con la probeta.
MECÁNICAS PROPIEDADES 94
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 94
La diferencia entre la altura inicial y final del péndulo es proporcional a la energía empleada en romper la probeta. Cuanto mayor es dicha energía, más dúctil es el comportamiento del material, puesto que una parte de dicha energía se emplea en la deformación plástica. Representando el valor de la diferencia de altura del péndulo, es decir la resiliencia, en función de la temperatura, se obtiene una gráfica de la que se puede extraer la temperatura de transición dúctil-frágil. La temperatura de transición de muchos metales suele estar situada alrededor de la temperatura ambiente. Dicha temperatura depende de la microestructura y composición. Por ejemplo, disminuyendo el tamaño de grano en los aceros disminuye la temperatura de transición. Este tipo de ensayos también s e utilizan para medir la tenacidad. Como se indicó anteriormente, la tenacidad depende de condiciones externas, como la velocidad de deformación y del estado de tensiones. Los valores más bajos se obtienen cuando la velocidad de deformación es muy alta y en un estado de tensiones triaxial, como el que se consigue por medio de entallas geométricas. En estas condiciones, los valores de la resiliencia obtenida a partir de ensayos en péndulos del tipo Charpy e Izod se suelen emplear para medir la tenacidad en condiciones extremas, que son muy útiles a la hora del diseño en condiciones de servicio. Los cerámicos y polímeros también poseen una temperatura de transición dúctil-frágil. Para los materiales cerámicos dicha temperatura se sitúa en torno a los 1000°C, razón por la que su comportamiento a temperatura ambiente es frágil.
5.6. FATIGA La fatiga ocurre en estructuras sometidas a cargas cíclicas, que fluctuan rápidamente. En estas circunstancias el material puede romper, aunque la carga máxima a que está sometido sea notablemente inferior al límite elástico obtenido en un ensayo de tracción. Los fallos por fatiga tienen gran importancia, pues representan un 90% de los fallos en servicio de las estructuras metálicas. En un ensayo de fatiga el material es sometido a una carga cíclicacomprendida entre un valor máximo, máx, y otro mínimo, mín. La tensión aplicada puede ser axial (tensión-compresión), a flexión o torsión. En un ensayo axial dependiendo de los valores de máx y mín, las cargas pueden ser de tracción-tracción, si tanto máx como mín son mayores que cero, o de tracción-
MECÁNICAS PROPIEDADES 95
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 95
compresión ( máx > 0, mín < 0). En un ensayo a fatiga se mide el número de ciclos que ocurren antes de la rotura, en función de la amplitud de la tensión aplicada. Los datos se representan en una gráfica de la amplitud de la tensión (3 = máx – mín) en función del logaritmo del número de ciclos a rotura (. ). La resistencia a fatiga representa el nivel de tensión por debajo del cual no se produce rotura para un determinado número de ciclos.
El límite de fatiga es la tensión S por debajo de la cual no se produce la rotura, independientemente del número de ciclos, y representa el valor más grande de carga fluctuante que es capaz de soportar el material sin sufrir fallo para un número infinito de ciclos. Normalmente, el límite de fatiga se sitúa alrededor del 40-50% de la resistencia a tracción. En la figura 5.11 se representan dos curvas 3.típicas, correspondientes a un acero y a una aleación de aluminio. Puede observarse que mientras para el acero existe un límite claro de fatiga, para el aluminio (que es CCC) no existe tal límite.
) a P M ( S
500
–
400
–
300
–
200
–
100
–
103
Acero Límite de fatiga
Aleación aluminio 4 – 10 10–5 10–6
8 – 107 10 109 10 –10
N
–
–
FIGURA 5.11.
Existen otras representaciones que tienen en cuenta la relación entre la carga máxima y mínima, 2 = mín / máx, ya que la curva 3. varía depen, aunque la amplitud de la tensión aplicada ( máx – mín) diendo del valor de 2 sea la misma.
El fallo por fatiga depende de manera importante del material y de las condiciones de ensayo, así como del estado de la superficie de la probeta y del diseño de la pieza. El fallo por fatiga se produce por el crecimiento de una grieta que se origina en la superficie de la probeta y se propaga hacia el interior. Una vez
MECÁNICAS PROPIEDADES 96
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 96
iniciada la grieta de fatiga, su avance se realiza a pequeños saltos, cada uno de los cuales corresponde a un ciclo de tensión. El supuesto mecanismo responsable del origen de la grieta superficial se basa en la existencia, en un determinado lugar de la superficie de la probeta, de un concentrador de tensión, que puede ser un defecto geométrico o microestructural. A diferencia del ensayo de tracción, en el que la grieta en el momento de la rotura se propaga a gran velocidad,una grieta de fatiga puede durar años, por lo se la englobadentro del grupo de las roturas progresivas. A este mismo grupo pertenecen las grietas que se propagan por un mecanismo conocido con el nombre de corrosión bajo tensiones.
5.7.
TENSIÓN Y DEFORMACIÓN REALES
Los valores de la tensión y deformación convencionales de la figura 5.8 no son los que están actuando realmente sobre la probeta, debido al continuo cambio en las dimensiones de la probeta durante el alargamiento uniforme. Efectivamente la sección de la probeta va disminuyendo y su longitud va aumentando. El valor de la tensión real o verdadera en cada momento, 2 , sería igual a la fuerza aplicada dividida por la seccióninstantánea, es decir: &
2
!
[5.9] donde !es la sección instantánea sobre la que actúa la fuerza & . Por tan- to, la tensión real es una corrección que se realiza para tener en cuenta la continua disminución de la sección que tiene lugar a medida que alarga la probeta, y que al ser siempre !< ! se cumple que 2 > . 0 Similarmente se puede definir la deformación real, esto es el cambio de longitud instantáneo. En el transcurso de un ensayo de tracción la de, será: formación real instantánea, D 2 D, , = [5.10] donde ,es la longitud de la probeta en ese momento y D, el incremento de longitud instantánea. Esta definición tiene, por tanto, en cuenta que a medida que alarga la probeta, la longitud de referencia debe ser la longitud, , , de la probeta en ese momento, y no la longitud inicial, , , como 0 hace la deformación convencional ( = ,,0). Integrando la ecuación [5.10] se obtiene: £ ¥ D, [5.11] ¡ = ln² ´ 2 = 0
D
2
,
,
0
,
,
¤
0¦
,
MECÁNICAS PROPIEDADES 97
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 97
La relación entre deformación verdadera y convencional se deduce a partir de la definición de deformación convencional. ¡ = –
6
=
,
–
=
0
,
,
[5.12]
,
1 0
0
,
0
,
,, = 0
,
+1
[5.13]
y por tanto = ln ( + 1)
2
[5.14]
La deformación convencional sólo coincide con la verdadera para pequeñas deformaciones, es decir para valores de )10%. Además, en esta representación las curvas de ensayos de tracción son equivalentes a las que se obtienen en ensayos de compresión. Por ejemplo, considérese un cilindro uniforme que se deforma a tracción hasta alcanzar el doble de su longitud original. La deformación conven – , )/ , = 1, o lo que es lo mismo un alargamiento cional = ,,= (2, 0 0 0 del 100%. De acuerdo con la definición de deformación ingenieril, para conseguir la misma deformación en compresión, es decir – 1, se debe )/ , = – 1, y por tanto la longitud final del cilincumplir = ,,= (0 – , 0 0 dro debería ser cero, lo cual no tiene lógica. No obstante, de manera intuitiva se comprende que a compresión el cilindro sufriría una deformación similar al del ejemplo mencionado de tracción, si la longitud del cilindro se reduce a la mitad. Efectivamente, empleando el concepto de deformación real en el ensayo de tracción: ¡ 2 =
£ 6
ln² ¤
¥
£
¦
¤
+ 1´ = ln²
,
0
,
0
¥
+ 1´ = ln2
,
0
,
¦
que coincide con la obtenida en un ensayo de compresión, salvo en el signo: ¡ 2 =
£ 6
ln² ¤
¥
£ <
¦
¤
+ 1´ = ln²
,
0
,
0
/2
,
0
,
¥
+ 1´ = < ln2 ¦
Otra ventaja de utilizar la notación real es que la deformación real total se puede obtener por la suma de sucesivos incrementos de deformación real, mientras que esta aditividad no es posible con el concepto de deformación convencional. Para ensayos en los que la probeta vaya a alargar poco (< 10-15%), las diferencias entre los valores de y 2 son pequeñas, y da lo mismotomar una u otra deformación. Para el resto de los
MECÁNICAS PROPIEDADES 98
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 98
casos, como por ejemplo sucede cuando se ensayan materiales superplásticos (que alargan un mínimo de un 100-200%), el uso de la deformación real es imprescindible.
Una de las hipótesis básicas que se ha estado aplicando en el estudio de la deformación plástica es suponer que los metales son incompresibles. Experimentalmente se ha comprobado que esa hipótesis es correcta, ya que después de que un metal ha sufrido una gran deformación plástica su densidad varía en menos de un 0.1%. Por tanto, no está alejado de la realidad suponer que durante la deformación plástica el volumen del sólido permanece constante. Esta hipótesis implica que antes de la estricción se cumple: , , ! [5.15] ! 0 0 y por tanto la deformación real se puede expresar como ln(! ). / ! 0
=ln(,,0) =
2
Igualmente la tensión real se puede expresar como:
=
m 2
&
=
&
! ! 0
=
,
0
,
&
(1 + ¡ )
[5.16]
! 0
y como & ! 0 = 2
(1 + )
[5.17]
De esta última expresión se deduce que antes de la estricción > ln ( + . Después de dicho punto < 2 , puesto que si se supone que el 1) = 2 pro- ducto ! ,debe permanecer constante, la rápida disminución de la sección, ! , en la zona de estricción implica un valor virtual de , rápidamente creasí obtenido es evidentemente inferior a la longitud ciente (el valor de , real de la probeta). Por tanto, las fórmulas de tensión y deformación real sólo son válidas antes de llegar a la deformación de estricción localizada que coincide con el valor máximo de la tensión real. Es preciso hacer notar que, al utilizar tensiones y deformaciones reales, la curva tensión-deformación sufre un desplazamiento hacia menores deformaciones (ver ecuación [5.14]) y el valor de la resistencia máxima se incrementa cuando se la compara con las magnitudes convencionales (ver ecuación [5.17]). Estos efectos se ponen de manifiesto en la figura 5.12, donde se representan ambas curvas, la convencional con línea continua y la real con línea de puntos. Puede observarse igualmente que la deformación correspondiente a la carga máxima es mayor en el caso real que en el convencional.
MECÁNICAS PROPIEDADES 99
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 99
De acuerdo con la curva tensión-deformación real, la estricción o deformación localizadaempezaría a partir del máximo de dicha curva. 110 100
¡ R
–
mR
90 ) a P M (
80
¡–
m
m
70
60 50 0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
¡
FIGURA 5.12.
5.8.
ESTABILIDAD DE LA DEFORMACIÓN EN LAS CURVAS DE TRACCIÓN
En la deformación dependiente del tiempo se ha comentado que un parámetro característico es la sensibilidad a la velocidad de deformación, M , que corresponde a la variación de la tensión con la velocidad de deformación mínima o pendiente de la fluencia en el estado estacionario. De la misma manera existeotro parámetro en la deformación no dependiente del tiempo que caracteriza el comportamiento del material una vez superado el límite elástico. En un ensayo de tracción, la ecuación más sencilla que ajusta la zona de la curva 2 – 2 entre el límite elástico y la carga máxima, sería . [5.18] ¡ m 2 = + 2 se denomina exponente de la deformación y caracteriza la zona donde . de la curva donde se produce el endurecimiento, y + es el coeficiente de endurecimiento. Cuanto mayor es . mayor será el endurecimiento, que normalmente disminuye conforme crece la temperatura. De hecho a
MECÁNICAS PROPIEDADES 100
100
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE
medida que crece la temperatura la componente de la deformación dependiente del tiempo aumenta y . debería aproximarse a cero cuando la es componente no dependiente del tiempo deje de existir. Puesto que . proporcional a la derivada del logaritmo de la tensión real respecto al lo)/ D (log 2 )), la pendiente de garitmo de la deformación real, . 5 D (log 2 la zona plástica de las curvas tensión-deformación da una idea del valor , de manera que dicho valor aumenta cuando lo hace dicha pende . diente.
Al nivel de conocimientos expuestos, y sin necesidad de entrar en el concepto físico del endurecimiento, que se verá más adelante, el parámetro . , sino que su valor no sólo sirve para describir la curva 2 – 2 está íntimamente ligado al valor del alargamiento uniforme. En un ensayo de tracción, el criterio de inestabilidad plástica más sencillo es cuando se alcanza el máximo en la curva tensión-deformación convencional, es decir cuando D / D = D & / D, = 0. Este criterio de inestabilidad nos dice que si a la probeta se le aplica una fuerza inferior a la fuerza máxima (& máx), deformará plásticamente cierta cantidad, determinada por la curva tensión-deformación, permaneciendo en esa situación de manera estable. Por otro lado, si la fuerza aplicada es superior a la & máx, entonces la probeta no sólo sufrirá el alargamiento correspondiente al máximo de la curva – , sino que seguira deformando hasta la rotura, puesto que a partir de dicho máximo, la carga necesaria para que progrese la deformación es inferior a la & máx aplicada. La deformación a la que ocurre dicha inestabilidad se denomina alargamiento uniforme, que en notación convencional sería U . Por tanto, la condición de inestabilidad plástica se expresa: D & D,
=0
[5.19]
teniendo en cuenta las expresiones [5.9] y [5.10]: 0=
D (m 2 ! ) D,
D m 2
=!
D,
D!
+ m 2
D,
D m 2
=! ,
D,
+m
D! ,
D,
D m 2 +m D ¡ 2
=!
2
D! [5.20] D ¡ 2 2
,= constante, a lo largo de la deforcomo se cumple que el volumen ! mación plástica:
=0 !D , + ,D !
= !
,D ! D!
D,
=
D ¡ 2
Introduciendo la expresión [5.21] en la [5.20], se obtiene:
[5.21]
MECÁNICAS PROPIEDADES 101
INTRODUCCIÓN AL CONOCIMIENTO DE
D m 0= !
2
< m 2!
D ¡ 2
D m 2 = m D ¡ 2
2
101
[5.22]
La inestabilidad plástica se produce cuando se cumple la ecuación [5.22], que es cuando termina el alargamiento uniforme convencional, U . La interpretación de la ecuación [5.22] dice que la inestabilidad plástica se produce cuando la tensión que es capaz de soportar el material, que ¥ £ aumenta por efecto del endurecimiento por deformación ² D m 2 ´ , iguala
¤
D ¡ ¦ 2
a la que es capaz de soportar el material debido a la paulatina disminu), conformeaumenta la deformación. ción de la sección ( 2 Derivando la ecuación [5.18], se deduce que: D m 2 .. m 2 . <1 =+ + . ¡ ¡ 2 = 2 = . D ¡ ¡ ¡ 2 2 2
[5.23]
Comparando las ecuaciones [5.22] y [5.23], y teniendo en cuenta que cuando se cumple [5.22] el alargamiento real 2 será el correspondiente al uniforme en notación convencional, es decir, 2U = ln ( 1 + U ), se obtiene que: 2U
=.
es decir, que el valor que adopta el alargamiento uniforme, correspondiente al máximo en la curva tensión-deformación convencional, expre. Esta predicción sólo se cumsado en notación real, coincide con el de . ple en el caso de total independencia del tiempo. En el caso general, , aunque se siga cumcuando hay cierta dependencia del tiempo 2U ≠ . pliendo que a mayor valor de . mayor será el alargamiento uniforme. Este efecto se puede apreciar cualitativamente en la figura 5.9a, donde a medida que aumenta el endurecimiento, mayor es el alargamiento uniforme.
TEMA 6 ALEACIONES
6.1.
INTRODUCCIÓN
Los primeros metales utilizados por el ser humano fueron aquellos que se encontraban en la naturaleza en estado nativo, como el oro y el cobre. No obstante, pronto se descubrió que las propiedades de los metales podían mejorarse considerablemente cuando eran aleados, es decir cuando de forma intencionada se mezclaban dos o más metales. Este descubrimiento dio lugar a la Edad del bronce, y desdeentonces han ido apareciendo continuamente nuevas aleaciones con propiedades mejoradas. Aunque los metales puros tienen algunas propiedades muy útiles, como por ejemplouna alta conductividad eléctrica y calorífica, no pueden utilizarse en ingeniería mecánica debido a su escasa resistencia mecánica. En general, puede decirse que las aplicaciones de los materiales puros se encuentran dentro del ámbito de los materiales funcionales, y que las aleaciones lo hacen en el de los estructurales.
La vía más importante para mejorar la resistencia mecánica de los metales es alearlos con otros. Por ejemplo, el carbono aumenta mucho la resistencia del hierro y mejora su C O L A B I L I D A D . En ocasiones, se busca transferir al elemento base alguna propiedad específica del elemento de aleación, como es el caso del cromo que da inoxidabilidad al hierro en los AC ER O S INOXIDABLES . Las aleaciones abren, además, la posibilidad de una ulterior mejora de las propiedades a través de los tratamientos térmicos. Estos últimos consisten en calentar la aleación a una temperatura seleccionada por debajo del punto de fusión, y enfriarla a una velocidad determinada, con el fin de obtener las propiedades deseadas. El objetivo de este tema es, además de dar los elementos del proceso de solidificacióncomo preámbulo al tema de diagramas de fase, suministrar los conocimientos necesarios, para comprender por qué las aleaciones
ALEACIONES 104
INTRODUCCI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 104
poseen mayor resistencia mecánica que los metales puros. Al final de este tema se estudiarán los fenómenos de transporte en estado sólido, los cuales intervienen en todos los procesos de transformación en estado sólido.
En primer lugar se van a esbozar una serie de términos de gran importancia, cuyo concepto se irá ampliando a lo largo de este tema. Se entiende por sistema la reunión de varias especies moleculares distintas, susceptibles de sufrir transformaciones mutuas, simultáneas o sucesivas, cuando varían las condiciones externas. Es decir, un sistema es una mezcla de cuerpos simples o compuestos en proporciones variables, entre los cuales se pueden producir reacciones físicas o químicas al variar las condiciones externas. El agua encerrada en una botella y la sal de un salero no constituyen un sistema, pero lo constituyen cuando ambas sustancias se introducen en un mismo recipiente, pues la sal se disolverá más o menos en el agua, según sean las condiciones externas de presión y temperatura. Una aleación es un material sólido o líquido formado por la combinación íntima de dos o más componentes. Los componentes de una aleación son el menor número de sustancias de composición variable independiente, y pueden ser puros o compuestos. En el caso de mezcla de varios compuestos estables, como por ejemplo el agua (H2O) con la sal (NaCl), se pueden considerar como componentes dichos compuestos. No obstante, si se alcanzan temperaturas y presiones a las que se descomponen la sal y el agua, los componentes serían cuatro (H, O, Na, y Cl). Por tanto, y dependiendo de la situación, los componentes son elementos puros y/o compuestos que se encuentran en la aleación. Cualquier elemento puede ser utilizado como parte integrante de una aleación, pero los metales son los que participan con mayores concentraciones. El solvente, o metal base, es el elemento metálico que se encuentra en mayor proporción y los solutos son los elementos minoritarios. Las aleaciones suelen prepararse a partir de la mezcla de sus constituyentes en estado líquido, aunque recientemente están apareciendo nuevos métodos de preparación en estado sólido a partir de técnicas pulvimetalúrgicas, como por ejemplo el AL EA DO MEC·NICO .
Para constituir una aleación es necesario que la mezcla sea homogénea, tanto en estado líquido como en sólido, y que la unión se realice con enlace metálico, aunque no se descartan otros tipos de enlace, siempre que coexistan minoritariamente con el metálico.
La forma más sencilla de una aleación tiene lugar cuando los elementos que la integran son solubles en estado sólido, dando lugar a las
ALEACIONES 105
INTRODUCCI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 105
denominadas soluciones sólidas. Las soluciones sólidas se dan entre aquellos elementos que poseen un tamaño atómico parecido y similares propiedades químicas, de manera que exista poca afinidad química entre ellos. Cuando los elementos que se mezclan son bastante diferentes respecto de sus características químicas, tendrán una gran afinidad química entre sí, de manera que tenderán a formar un compuesto. Un compuesto puede estar formado por metales y no metales en proporciones cercanas a las ESTEQUIOM½TRICAS . Ejemplos de compuestos son la sal (NaCl), el óxido de hierro (Fe2O3) y la sílice (SiO2). Aunque estos compuestos no tienen carácter metálico también existen compuestos formados sólo por metales, denominados intermetálicos, aunque el enlace entre ellos dejará de ser puramente metálico. Por tanto, cuanto mayor sea el carácter iónico u homopolar del enlace, mayor será la tendencia para formar un compuesto químico. Si el enlace es metálicopuro se formará una soluciónsólida.
Una fase es una porción homogénea de un sistema que posee características físicas y químicas uniformes. Un metal puro sería una fase, si todo él se encuentra en estado sólido. Si un único metal coexiste en estado sólido y líquido, habría dos fases correspondientes a dichos estados. En estado gaseoso sólo puede existir una fase, independientemente del número y proporción de elementos que lo integran, ya que los gasesson perfectamente miscibles o solubles. Las fases se distinguen entre sí por tener distinta red cristalina y composición. Un constituyente de un sistema de aleación es una unidad definida y reconocible de la microestructura. Los constituyentes se identifican por su apariencia diferenciada en el microscopio, y pueden estar compuestos de varias fases.
6.2.
METALES Y ALEACIONES
Como ya se ha indicado, una aleaciónmetálica se puede definir como un material que tiene propiedades metálicas, siendoproducto de la mezcla de un metal con otros metales o no metales. Los cerámicos también pueden ser mezclados con el fin de formar aleaciones.
Un sistema de aleación contiene todas las aleaciones que puedan formarse por varios elementos combinados en todas las proporciones posibles. Si el sistema se forma por dos elementos, se llama sistema de aleación binario; si se forma por tres elementos, se denomina sistema de aleación ternario.
ALEACIONES 106
INTRODUCCI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 106
Las aleaciones pueden ser homogéneas, que constarán de una sola fase, o mezclas, que serán una combinación de varias fases. Todas las partes de una aleación con las mismas propiedades físicas y químicas y con la misma composicióncorresponden a una fase única. La constitución de una aleaciónse describe por las fases presentes, la fracción en peso de cada una y su composición, mientras que su estructura viene determinada por el tamaño y forma de las fases. La constitución y la estructura de las fases dependen de los tratamientos térmicos que el material haya sufrido. En los elementos puros hay una única fase que puede ser gaseosa, líquida o sólida. Los metales alotrópicos en el estado sólido tendrán diferentes fases sólidas, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren. Cuando el metal sufre un cambio alotrópico, su estructura cristalina varía, dando lugar a un cambio de fase, ya que cada tipo de estructura cristalina es físicamente distinto. Las tres fases posibles en el estado sólido son metal puro, compuesto solución sólida. y Metales puros
En condiciones de equilibrio, todos los metales exhiben un punto definido de solidificación. El término en condiciones de equilibrio implica condiciones de calentamiento y enfriamiento extremadamente lentas para proporcionar tiempo suficiente para que tenga lugar cualquier cambio. La curva de enfriamiento estará definida por una línea horizontal en el punto de solidificación, tal y como se muestra en la figura 6.1. Donde el punto (1) corresponde a la temperatura de solidificación, el (2) corresponde al metal líquido, el (3) a núcleos de metal sólido formados en el metal líquido, el (4) a D E N D R I T A S de metal sólido que crecen en metal líquido y el (5) al metal sólido. Por tanto, el proceso de solidificación se produce a temperatura constante. Compuestos
Como ya se indicó anteriormente, los compuestos se forman por existir una A FIN ID A D Q U Á M IC A entre los elementos que lo constituyen. Por eso lo hacen con un enlace más o menos iónico, con red cristalina propia diferente de la de sus componentes, y los elementos intervienen en proporciones definidas, que obedecen a leyes de valencia. La fortaleza del enlace justifica que la temperatura de fusión del compuesto sea mayor que la
ALEACIONES 107
INTRODUCCI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 107
T
x 2 1x
Fase líquida
3 x
4
x
Fase sólida
5 x t
FIGURA 6.1.
de sus componentes, y desde el punto de vista mecánico son duros, resistentes y frágiles. Cuando se forma un compuesto, los elementos pierden en gran medida su identidad individual y sus propiedades características. Un ejemplo de ello es la sal común de mesa (NaCl). El sodio (Na) es un metal muy activo que se oxida rápidamente y el cloro (Cl) es un gas venenoso; aun así, un átomo de cada uno de ellos se combina para formar el importante e inofensivo compuesto, conocido como sal común. El compuesto resultante tiene propiedades físicas y químicas distintas de las de sus componentes por separado. Esta disparidad de propiedades entre el compuesto y sus componentes hace que en muchos casos pueda ser considerado, a efectos de diagramas, como un elemento o componente simple. La mayoría de los compuestos, al igual que los metales puros, exhiben un punto de solidificacióndefinido, situado dentro de estrechos límites de temperatura y composición, por lo que la curva de enfriamientopara un compuesto es similar a la de un metal puro representado en la figura 6.1. Los tipos de compuestos más comunes son: Compuestos intermetálicos o de valencia
Pueden ser de valencia normal o de valencia anormal. Los de valencia normal se llaman compuestos electroquímicos, siendo similares a los compuestos químicos pero con enlaces no tan definidos. Siguen las reglas de valencia, teniendo red propia y proporciones fijas entre sus componentes.
ALEACIONES 108
INTRODUCCI N AL CONOCIMIENTO DE MATERIALES 108
En general, se puede decir que se forman por metales no similares químicamente y que están en columnas alejadas de la tabla periódica. Como suelen tener fuerte enlace (iónico o covalente), sus propiedades son esencialmente no metálicas. Muestran una deficienteductilidad y una baja conductividad eléctrica y pueden tener una estructura cristalina compleja. Ejemplos de compuestos de valencia son: CaSe, Mg2Pb, Mg2Sn y Cu2Se. Los de valencia anormal se llaman fases electrónicas, tienen un carácter metálico mas acentuado y no siguen las leyes de valencia. Por ejemplo, el cobre se comporta con valencia tres cuando se combina con el cinc, dos tercios cuando lo hace con estaño, y seis con el aluminio. Entre estos compuestos se encuentran los intermetálicos, que mantienen las características de los compuestos químicos, es decir red propia y fórmula estequiométrica, aunque la proporción entre sus componentes puede variar dentro de algún margen. En la figura 6.2 se muestran las estructuras cristalinas del Ni3Al y del NiAl en fase ordenada, es decir cuando los átomos de Ni y de Al se encuentran en nudos determinados de la red. Muchos compuestos intermetálicos se desordenan a partir de cierta temperatura, denominada de transición orden-desorden. En estado desordenado los nudos de la red pueden estar ocupados indistintamente por átomos de Ni o Al, pasando a ser en realidad soluciones sólidas, con lo que pierden las propiedades características del compuesto.
Ni3 Al
Ni Al
Ni Al
FIGURA 6.2.
Compuestos intersticiales
Se forman por la unión entre elementos de transición, como el escandio, el titanio, el tántalo, el tungsteno y el hierro, con átomos de hidrógeno, oxígeno, carbono, boro y nitrógeno. Al ser estos últimos