Estructura Y Propiedades De Los Metales 5h3q4c

INGENIERÍA DE SOLDADURA

Julio A. Acosta Sullcahuamán SALIR SALIR

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ESTRUCCTURA Y PROPIEDADES DE LOS METALES 1. INTRODUCCIÓN 2. ESTRUCTURA CRISTALINA 3. DEFORMACIÓN PLÁSTICA 4. RESISTENCIA DE LOS METALES 5. DEFECTOS CRISTALINOS 6. RESISTENCIA REAL DE LOS METALES 7. MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO 18/05/2006

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1. Introducción   Ciencia de los materiales z Disciplina científica ¨ investigación z Conocimiento básico de la estructura, propiedades y

procesamiento de los materiales

  Ingeniería de materiales z Disciplina de la ingeniería ¨ aplicación z Conocimiento de los materiales ¨ Convertir los

materiales en productos necesarios para el bienestar de la sociedad.

  La Ciencia e ingeniería de los materiales combina la

ciencia de los materiales y la ingeniería de materiales

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1. Introducción

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1. Introducción

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1. Introducción

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1. Introducción

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1. Introducción High temprerature (to 3200°) High specific strength Excellent environmental durability Low weight Low porosity Exellent toughness Tailorable thermal-mechanical properties

CMC Exhaust Mixer Nozzle

Ceramic Composite Brake Rotors

Immersion Tubes for Molten Aluminum Holding Furnaces.

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Turbine Engine Afterburner

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1. Introducción

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todo puede convertirse en: … más ligero, … más resistente … … para mucho más tiempo

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1. Introducción PMC y MMCs han sido desarrollados para aplicaciones aeroespaciales. Estos materiales compuestos poseen una elevada resistencia mecánica y rigidez así como un coeficiente de expansión térmica casi nulo. PMC (grafito/epoxy) ha sido empleado en la fabricación de elementos de apoyo, es, antenas, antenas parabólicas, reflectores. MMCs poseen una elevada resistencia y conductividad térmica, y alta tigidez y resistencia específica. The P100/6061 Al usado en el telescopio espacial Hubble

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1. Introducción

“Una civilización es a la vez desarrollada y limitada por los materiales que dispone” George Paget Thomson 18/05/2006

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1. Introducción   Los metales han sido siempre elementos fundamentales en el desarrollo de la humanidad...   ¿Cómo se fabricarían: automóviles, trenes, aviones, barcos, tractores, bicicletas, ..., etc. sin el uso de los metales?   Es obvia esta dependencia en las plantas industriales, sea mecánica, química, eléctrica, nuclear o de cualquier otro tipo.   También , es evidente la función clave que desempeñan en los elementos de nuestros propios hogares. z z z z z

Instalaciones sanitarias Luz eléctrica y alumbrado Estufas eléctricas Refrigeradores Lavadoras y secadoras

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z z z z z

Hornos Radio y televisión Marcos de aluminio para ventanas Sistemas de aire acondicionado. etc.

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1. Introducción   En alguna etapa de la fabricación de estos artículos, los metales cumplen un papel importante de modo que sería muy difícil y, frecuentemente imposible, producirlos sin el uso de metales.   Desde luego, además de los metales, otros materiales tienen funciones claves en la manufactura de muchos artículos en nuestra moderna tecnología. El ingeniero selecciona los materiales que tienen las propiedades físicas deseadas y que son las más económicas.

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1. Introducción   Existen esencialmente 3 propiedades físicas principales de los metales que explican su papel clave en el desarrollo humano: 1. Formabilidad. Sólo aproximadamente el 20% de los metales se usa directamente en su forma de colada, casi todos son mecánicamente formados.

2. Resistencia sin fragilidad (tenacidad). Por ejemplo, el vidrio es muy resistente (σF del vidrio es aprox. 7σF de las mejores aleaciones de Al ) y a la vez extremadamente frágil, por lo que uno nunca soñaría en diseñar un ala de avión hecha de vidrio. 3. Propiedades eléctricas y magnéticas. Baja resistividad eléctrica y magnetización de los metales ferrosos. 18/05/2006

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1. Introducción   Relación estructura - propiedades – procesamiento - aplicación

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1. Introducción   La metalurgia física se relaciona más con el efecto del arreglo atómico y la micro estructura del metal que con sus propiedades físicas.   Se pueden resumir estas relaciones en la siguiente tabla: INFLUENCIA DEL ARREGLO ATÓMICO

INFLUENCIA DE LA MICROESTRUCTURA

muy fuerte

muy fuerte

Eléctrica y térmica (resistividad, magnetización, conductividad, etc.)

poca

ligera a fuerte

Química (resistencia a la corrosión, potencial catalítico, etc.)

poca

ligera a moderada

PROPIEDAD FÍSICA Mecánica (resistencia, ductilidad, fragilidad, etc.)

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1. Introducción

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1. Introducción

  Microestructura de aceros: blando (izq.) y muy duro (der.) 18/05/2006

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1. Introducción   Como se puede observar en la tabla: z si se controla el arreglo atómico y la micro estructura se

     

pueden controlar todas las propiedades físicas del metal, z pero particularmente las propiedades mecánicas. Por tanto, intentaremos constantemente orientar nuestro estudio hacia el control de las propiedades mecánicas de los metales y sus aplicaciones. El control del arreglo atómico y la microestructura se realiza por medio de procesos tales como el colado, conformado y tratamiento térmico. Una de las metas de este tópico es ofrecer las bases teóricas que permitan comprender cómo y por qué dichos procesos controlan el arreglo atómico y la micro estructura en la forma que lo hacen.

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1. Introducción   Materiales cerámicos Materiales que exhiben enlaces iónicos o covalentes o ambos Compuestos de elementos metálicos y no metálicos de altas temperaturas de fusión z Duros y quebradizos z Bajas conductividades eléctricas y térmicas z Ejm: productos de arcilla, porcelana, vidrio y óxidos de aluminio Materiales poliméricos z Materiales que presentan primordialmente enlaces covalentes. z También son importantes las fuerzas de enlace secundarias (enlaces de Van der Waals). z Constan de cadenas largas formadas por elementos de bajo peso atómico (C, H, O y N) z Bajo punto de fusión z Baja resistencia mecánica y bajas conductividades eléctricas z Ejm: madera, plásticos, polietileno, policloruro de vinilo z z

 

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1. Introducción   Materiales metálicos Materiales que se caracterizan por tener enlaces metálicos. Enlace metálico Î altas conductividades térmicas y eléctricas Buena ductilidad, resistencia mecánica, tenacidad Ejemplo: magnesio, fierro, oro, plata, aluminio, acero, etc. z Una característica común a los elementos metálicos es que tienen solamente uno, dos o tres electrones en la capa externa, estos se enlazan en forma relativamente libre al núcleo. z Así por ejemplo, cuando colocamos juntos un número de átomos de aluminio (número atómico = 13), en un bloque de aluminio, los electrones exteriores abandonan los átomos individuales y pasan a formar un "gas de electrones" común. z Estos electrones se desplazan continuamente dentro del metal y no pertenecen a un átomo determinado, sino al conjunto de átomos. z z z z

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1. Introducción

átomo de aluminio

átomo de aluminio

Ejemplo:

Al (z=13) gas de electrones

Enlace metálico Enlace en el cual los átomos del metal ceden sus electrones a un gas de electrones y asumen un ordenamiento regular. 18/05/2006

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1. Introducción z z

z z

z

Por lo tanto, los átomos se conviertes en iones de Al +3 . Estos se repelen entre sí, pero permanecen en el bloque gracias a la atracción entre los electrones negativos y los iones positivos. Este modelo nos ayuda a entender las propiedades de los metales. Por ejemplo, el modelo explica la alta conductividad eléctrica de los metales. Si aplicamos un voltaje a través del cristal, los electrones en el gas de electrones (que están enlazados débilmente) se moverán con facilidad, produciendo una corriente. También se puede entender; la ductilidad de los metales o capacidad para deformarse sin fractura; la conductividad térmica; la reflectividad a la luz (lustre metálico); su forma cristalográfica en estado sólido, etc

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1. Introducción

  Resumen

Contribución relativa de los diferentes tipos de enlace a cada uno de los materiales para ingeniería (tres tipos estructurales y los semiconductores) 18/05/2006

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1. Introducción

  Materiales cristalinos y amorfos a) sílice cristalina y b) vidrio de sílice

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1. Introducción

  Metales Cu, Al, Au, Ag etc.

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2. Estructura cristalina   Estructura cristalina z z z z z

Î material cristalino Los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas Existe un orden de largo alcance Î los átomos se sitúan según un patrón tridimensional repetitivo Los átomos no permanecen fijos en sus posiciones Î sino que oscilan alrededor de puntos fijos Î equilibrio dinámico La red tridimensional de líneas imaginarias que conecta los centros de los átomos se llama red espacial La unidad más pequeña que tiene la simetría de todo el cristal se llama celda unitaria

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2. Estructura cristalina

  celda unitaria z patrón más pequeño de átomos que se repite en todas direcciones del espacio Î es submicroscópica z las celdas unitarias están dispuestas en forma ordenada en los sólidos cristalinos Î estructuración regular de átomos

que se mantiene a gran escala celda unitaria

red espacial

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puntos reticulares

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2. Estructura cristalina

posiciones relativas de los átomos

Î

modelo de esfera dura

• Todos los metales, muchos materiales cerámicos y ciertos

polímeros, poseen estructura cristalina. • La estructura cristalina de un material se define según el tamaño, la forma y el ordenamiento atómico dentro de la red espacial. • El análisis de una red espacial se realiza estudiando su celda unitaria, y no toda la red. 18/05/2006

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2. Estructura cristalina

  Sistemas cristalinos z Existen 14 tipos de redes cristalinas Î clasificados en 7

sistemas cristalinos z Los metales tienen estructuras particularmente sencillas z De las 14 retículas de Bravais, la mayoría de los metales se forman en una de las muy sencillas estructuras siguientes: ° cúbica centrada en el cuerpo ( cccu ) ± cúbica centrada en las caras ( ccca ) ² hexagonal compacta ( hc ) ³ tetragonal Muchos metales existen en más de una estructura cristalina, dependiendo de la temperatura, pero en la mayoría de los casos, las transiciones se dan entre estas 4 estructuras cristalinas. A esta propiedad, en tanto que sea reversible, se denomina ALOTROPÍA 18/05/2006

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2. Estructura cristalina

912°C

  Transformación alotrópica del Fe 18/05/2006

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2. Estructura cristalina

  Existen 14 tipos de redes cristalinas, clasificados en 7 sistemas cristalinos

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2. Estructura cristalina

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2. Estructura cristalina

  Los tres tipos principales de estructuras en que pueden cristalizar los elementos metálicos

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2. Estructura cristalina

  Estudio de las principales redes ° cúbica centrada en el cuerpo ( cccu ) ± cúbica centrada en las caras ( ccca ) ² hexagonal compacta ( hc ) Para cada caso determinar: z z z z z

parámetros de red radio atómico ( ra ) = f [ parámetros de red ] número de átomos por celda (n) número de coordinación (nc): número de átomos vecinos más próximos y que equidistan de un átomo factor de empaquetamiento atómico (fea):

fea = 18/05/2006

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volumen de átomos volumen de la celda jaasullcahuamán

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2. Estructura cristalina

  Red cúbica centrada en el cuerpo ( cccu )

z z z z z 18/05/2006

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parámetro de red = a ra = n = nc = fea =

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2. Estructura cristalina

  Red cúbica centrada en las caras ( ccca )

z z z z z 18/05/2006

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parámetro de red = a ra = n = nc = fea =

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2. Estructura cristalina

  Red hexagonal compacta ( hc )

z z z z z

parámetros de red = a y c ra = n = nc = fea =

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2. Estructura cristalina

Estructura

n

ra = f (a)

nc

fea

Metales típicos

cs

1

r=a/2

6

0,52

Ninguno

cccu

2

r = a√3 / 4

8

0,68

Fe-α, Fe-δ, Ti, W, Mo.

ccca

4

r = a√2 / 4

12

0,74

Fe-γ, Cu, Al, Au, Ag, Pb.

hc

6*

r=a/2

12

0,74

Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr.

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2. Estructura cristalina

  Densidad lineal z Número de átomos que tienen sus centros localizados en

una línea de dirección dada por unidad de longitud

d [ hkl ] =

n átomos [ hkl ] longitud [ hkl ]

  Densidad planar z Número de átomos que tienen sus centros localizados en un

área dada sobre un plano por unidad de área

d ( hkl ) =

n átomos( hkl ) área( hkl )

> En estos cálculos de la densidad, una de las reglas básicas es que un plano o

una línea debe pasar a través del centro de un átomo o no se cuenta el átomo en los cálculos

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2. Estructura cristalina

  Densidad teórica z Masa de una celda unitaria entre el volumen de dicha celda

δt =

masacelda unitaria volumencelda unitaria

z Ejemplo: Calcular para el Cu h densidad lineal Î [110] h densidad planar Î (111) h densidad teórica

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3. Deformación plástica   Metales Î Resistencia y ductilidad son fuertemente

controladas por la estructura atómica y microestructura z Por ello es importante estudiar y entender con claridad el

mecanismo de control de estas propiedades h Inicialmente Î deformación de monocristales h Luego Î deformación de policristales

  Deformación z Deformación elástica Î completamente recuperable al

eliminarse el esfuerzo z Deformación plástica Î no recuperable al eliminarse el esfuerzo 18/05/2006

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3. Deformación plástica

  Desplazamiento atómico producido por un esfuerzo cortante τ :

τ = Gγ

σ = Eε

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3. Deformación plástica   Mecanismos de deformación plástica: ° deslizamiento ± maclado ² deslizamiento en los límites de grano ³ termofluencia difusional

  Deslizamiento Î Movimiento paralelo de dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algún plano (o planos)

  Sistema de deslizamiento Î Es la combinación de un plano y una dirección que se halla sobre el plano, a lo largo del cual se produce el deslizamiento

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3. Deformación plástica   Los planos compactos hacen más fácil el deslizamiento que los planos alineados en otra dirección respecto al esfuerzo cortante

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3. Deformación plástica

  Sistemas de deslizamiento

Î ccca Planos {111} Direcciones <110>

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3. Deformación plástica

  Sistemas de deslizamiento Î cccu

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3. Deformación plástica

  Sistemas de deslizamiento Î hc

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3. Deformación plástica

  Deslizamiento Î ccca

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4. Resistencia de los metales   Esfuerzo cortante resuelto (factor de Schmid) z Supóngase un monocristal

cilíndrico de un metal ccca z Tensión bajo una fuerza F z Deslizamiento h planos (111) h 3 direcciones <110> z Resolver el esfuerzo cortante

sobre el plano (111) y a lo largo de las direcciones <110> 18/05/2006

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4. Resistencia de los metales   ¿Cuál es el esfuerzo cortante resuelto a lo largo de una dirección que hace un ángulo λ con el eje de tensión en el plano cuya normal forma un ángulo φ con dicho eje?

Ae = A=

F cos λ

π 4

π

4

ab

a2

b cos φ = a

Ae cos φ = A 18/05/2006

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4. Resistencia de los metales   Esfuerzo cortante resuelto (τr ) F cos λ τr = Ae

F τ r = (cos λ cos φ ) A

τ r = σ ( FS )

σ : esfuerzo de tensión y FS: factor de Schmid

  Se ha encontrado que en un sistema de deslizamiento se producirá el deslizamiento cuando el esfuerzo cortante resuelto en ese sistema alcance cierto valor crítico   Al esfuerzo cortante resuelto requerido para iniciar el deslizamiento sobre un sistema de deslizamiento dado se le llama a menudo esfuerzo cortante crítico resuelto (ECCR) y su valor depende en gran medida de la pureza del metal (ver siguiente tabla) 18/05/2006

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4. Resistencia de los metales

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4. Resistencia de los metales

  Resistencia teórica de los metales

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4. Resistencia de los metales

  Esfuerzo cortante teórico z Es el esfuerzo cortante determinado teóricamente,

capaz de producir el deslizamiento de todos los átomos - de una sola vez - que se hallan encima (o debajo) del plano de deslizamiento, haciendo que se desplacen permanentemente desde un conjunto de sitios reticulares hasta otro nuevo conjunto de sitios en la red z ¿Cuál es el esfuerzo cortante teórico necesario para producir un desplazamiento permanente de los átomos? Gb τm = 2π a 18/05/2006

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4. Resistencia de los metales   ¿Cuál es la diferencia entre el esfuerzo cortante crítico resuelto (ECCR) y el esfuerzo cortante de teórico (límite elástico o límite de fluencia) de los metales? ¿Porqué?

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5. Defectos cristalinos   Una red cristalina ideal supone una dispoción

tridimensional de repetición perfecta   Los cristales de los metales reales tienen varios defectos, éstos se enlistan sistemáticamente como sigue: 1. Vacancias 2. Átomos del metal (base) colocados en forma intersticial puntuales 3. Un átomo extraño colocado en forma substitucional 4. Un átomo extraño colocado en forma intersticial lineales 5. Dislocaciones 6. Maclas o fallas de apilamiento planares 7. Límites de grano 8. Huecos o cavidades de volumen 9. Inclusiones 18/05/2006

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5. Defectos cristalinos

  Defectos puntuales

1. vacancia

3. átomo extraño pequeño sustitucional 18/05/2006

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4. átomo extraño intersticial

3. átomo extraño grande sustitucional jaasullcahuamán

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5. Defectos cristalinos

  Dislocaciones de borde

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5. Defectos cristalinos

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5. Defectos cristalinos

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5. Defectos

  Dislocación de tornillo o helicoidal

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5. Defectos cristalinos

  Dislocaciones mixtas

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5. Defectos cristalinos   Bandas y escalones de deslizamiento causadas por el movimiento de dislocaciones (acero AISI 1010 - SEM)

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6. Resistencia real de metales   Metales reales Î policristalinos

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6. Resistencia real de los metales B

E F P

R F´

O 18/05/2006

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6. Resistencia real de los metales

  Resistencia real Î f(densidad de dislocaciones)

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6. Resistencia real de los metales

  Enmarañamiento de dislocaciones en límites de grano (TEM)

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7. Mecanismos de endurecimiento   Recuerdese que: z La deformación plástica se debe al movimiento de las

dislocaciones z La resistencia a la fluencia de un metal (o aleación) usualmente se puede incrementar mediante la introducción de obstáculos al movimiento de dislocaciones

  Tales obstáculos pueden ser:

z Enmarañamiento de dislocaciones z Límites de grano z Estructuras cristalinas distorsionadas debido a átomos de

impureza z Pequeñas partículas dispersas en la estructura cristalina 18/05/2006

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7. Mecanismos de endurecimiento

  Métodos de endurecimiento de los metales CARACTERÍSTICA QUE IMPIDE EL MOVIMIENTO DE DISLOCACIONES Elevadas densidades de dislocaciones producen Trabajo en frío enmarañamientos Cambios en la orientación del cristal y otras Afinamiento de grano irregularidades en los límites de grano Fortalecimiento por Impurezas intersticiales o substitucionales solución sólida distorsionan la estructura cristalina Endurecimiento por Partículas finas de un material duro precipitan fuera precipitación de la solución en el enfriamiento Discontinuidades en los límites de fase de una Fases múltiples estructura cristalina Estructuras multifásicas de martensita y carburos Templado y revenido precipitados (Fe3C) MÉTODO

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7. Mecanismos de endurecimiento

° Trabajo en frío z Produce cambios en la microestructura y por tanto en

las propiedades:

h cambio en la forma de grano h endurecimiento por deformación y h un aumento en la densidad de dislocaciones z Una fracción de la energía consumida en la

deformación es almacenada en el metal como energía de deformación h la energía almacenada está asociada con las concentraciones de tensiones (tracción, compresión y cizalladura) alrededor de las dislocaciones creadas z Además, otras propiedades son modificadas h conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión, etc. 18/05/2006

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7. Mecanismos de endurecimiento z Propiedades Î comportamiento a tracción

z Curvas de tracción 18/05/2006

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z Resistencia a la tracción jaasullcahuamán

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7. Mecanismos de endurecimiento z Propiedades Î comportamiento a tracción

z Resistencia a la fluencia 18/05/2006

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z Ductilidad <<

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7. Mecanismos de endurecimiento z Recuperación Î recristalización Î crecimiento

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7. Mecanismos de endurecimiento

+ recrista lización

Trabajo en caliente

T° recristalización

Trabajo en frío

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7. Mecanismos de endurecimiento

±Afinamiento de grano z El tamaño, o el diámetro medio, de los granos de un metal

policristalino afecta a las propiedades mecánicas z El límite de grano actúa como barrera al movimiento de dislocaciones por dos razones:

h la posibilidad de que una dislocación pase de un grano a otro vecino se hace más difícil a medida que aumenta la diferencia en la orientación (mayor ángulo) h el desorden atómico en el límite de grano producirá una discontinuidad de los planos de deslizamiento de un grano a otro z Un material con grano fino es más duro y resistente que otro

que tiene granos gruesos

h material de grano fino tiene un área total de límite de grano mayor para impedir el movimiento de las dislocaciones z Control Î solidificación, deformación y recristalización 18/05/2006

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