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8/18/2019 Apuntes de Metalurgia
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UNIDAD I “CONCEPTOS BÁSICOS”
I. EstructuraII. Defectos cristalinos
III. SolucionesIV. ClasificaciónV. SolubilidadVI. SolidificaciónVII. Difusión
UNIDAD II “DIAGRAMAS DE FASE”
I. Diagramas binariosII. CurvasIII. Análisis de fase y composición qu micaIV. AplicacionesV. Diagramas ternarios
VI. CurvasVII. Análisis de fase y composición qu mica
VIII. Aplicaciones
UNIDAD III ALEACIONES
I. En función del elemento baseII. !errosas
III. "o ferrosasIV. En función del uso
ESTRUCTURAS CRISTALINAS
Sistema Lados ÁngulosCúbico a = b = c α = β= γ = 90 °
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Tetrago a! a = b ≠ c α = β= γ = 90 °
Ortorr"#bico a ≠ b ≠ c α = β= γ = 90 °
Ro#bo$%rico&trigo a! a = b = c α = β= γ < 120 ° ,≠ 90 °
Mo oc!' ica a ≠ b ≠ c α = γ = 90 ° ≠ βTric!' ica a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ
(e)ago a! a ≠b ≠ c α = β= 90 ° γ = 120 °
#EDES DE $#AVAIS
Sistema Simple F.C.C B.C.C BasesCúbica % % %Tetragonal % %Ortorrómbica % % % % Romboédrica % Monoclínica % %Triclínica % e!agonal %
De acuerdo a lo anterior los sólidos se clasifican en sólidos y cristalinos&Cri*ta!i o& Se caracteri'a por tener ordenada su estructura( sus mol)culas o iones tienen forma bien definida(
los metales son cristalinos ya que tienen cristales o granos bien definidos.
A#or+o& "o tiene estructura interna definida.
Z
YX
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CONCEPTOS BÁSICOS
(0,0,0)(1,0,1)
(0,1,0)(1,1,1)
(0,1,1) (1,0,0)
(0,0,1) (1,1,0)
(0,0,1)
*(-1,0,0)
-
(0,0,-1)
+, ,
%
(0,-1,0) (0,1,0)
(1,0,0) +*
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Con respecto a la figura anterior es importante definir algunos conceptos.
Ce!%a , itaria& -enor subdivisión de una red que retiene las caracter sticas generales de toda una ret cula.
Re%- Se le llama as a un patrón que se repite o regular de un motivo.
Moti.o- nidades repetitivas de un patrón.
Retic,!a%o- Arreglo tridimensional en el que cada punto tiene los mismos vecinos.
E*tr,ct,ra cri*ta!i a- !orma geom)trica en donde los átomos( mol)culas o iones están ordenadosespacialmente( estos se representan con esferas de diámetro fi/o.
Nú#ero %e coor%i aci"& "0mero de átomos que se encuentran en contacto con un átomo en particular o eln0mero de átomos vecinos.
Par/#etro %e re%- Son las longitudes de los lados de una celda unitaria tomando en cuenta los ángulos entresus lados.
1odos los materiales los vamos a diferenciar por el tipo de red que contengan. Cada tipo de red va a depender
Del tama2o de sus iones( átomos y su enlace.
Or%e %e corto a!ca ce- Se le conoce as a un arreglo espacial de átomos( mol)culas que solo se e3tiende a
sus vecinos más cercanos. Se presenta en estructuras no cristalinas. E/.4 Vidrio( brea 5geles6 y recubrimientos por depositación de vapor.
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Microe*tr,ct,ra- Son estudios atómicos de escala mayor a la anterior( como por e/emplo los granos( loscuales al tener diferente arreglo atómico afectan al material.
Macroe*tr,ct,ra- :a escala a la cual observamos un material de manera directa( por e/emplo( los defectos enla fundición.
Macro 1 m Meso ; < ;= mm Micro >= < >== "m "ano 7 < ;=="m #tómico ; < ;== Ȧ
M,!ti1!ici%a% %e (, %- Cuando un nivel electrónico tenga varios orbitales con la misma energ a( loselectrones se van ocupando lo más desapareados posible en ese nivel.
Pri ci1io %e e)c!,*i" %e Pa,!i- "o puede ?aber dos electrones con los cuatro n0meros cuánticos iguales.
1abla periódica& !ormada por ;=7 elementos aceptados4
@= metales no sólidos
@ gases reactivosB gases nobles
E!ectro egati.i%a%& 1endencia de un átomo a ganar electrones
E!ectro1o*iti.a%- 1endencia de un átomo a ceder electrones
Ra%io at"#ico- distancia del n0cleo al electrón más le/ano
Pro1ie%a%& #espuesta de un material a un est mulo e3terno.
Proce*a#ie to- -ane/o de un material para que adquiera cierta geometr a o gorma
PLANOS
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Cuando los planos intersectan al e/e de las coordenadas se deberámover este e/e a una posición diferente para resolver cada uno deesos planos.
n plano se representa con 7 n0meros 5colocados entre par)ntesisque corresponden a las intersecciones con el e/e 3(y('
respectivamente. E/.& 5;;=6
1odo plano negativo se indicará colocando el signo por encima deln0mero. "unca colocar comas o puntos ya que indican
coordenadas. E/.& 5 0 ¿ .
:a familia de planos se representa colocando entre llaves 3(y('. E/.&
{10 0 }
P!a o* cri*ta!ogr/+ico*- Se entiende por plano a todo con/unto de átomos que se colocan en un área
determinada. Sirven para poder determinar el sentido en el cual crecen los cristales en algunos materiales.
ndices de -iller& Su ob/etivo es identificar todos los planos de deformación 5planos espec ficos6 en unaestructura cristalina. Además se pueden indicar planos de desli'amiento.
rocedimiento&
a6 Identificar las intersecciones del plano con 3(y(' b6 Determinar el rec proco de estas intersecciones.c6 Simplificar las fracciones resultantes sin reducir a m nimos enteros.d6 #epresentarlos entre par)ntesis( recordando que para los n0meros negativos se pone una
l nea ?ori'ontal sobre ellos.
DIRRECIONES CRISTALOGRÁFICAS
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:os ndices de -iller en la dirección cristalográfica se utili'an para describir una dirección espec fica en lacelda unitaria. Como las direcciones son vectoriales( la dirección y su negativo representan la misma l nea pero diferente sentido.
Se utili'an para describir o indicar la orientación de un cristal. :a dirección y su m0ltiplo son iguales y en estecaso se reducirán a m nimos enteros.
rocedimiento&
a6 8btener las coordenadas del punto inicial y final. b6 #estar las coordenadas de punto delantero del trasero.c6 Eliminar fracciones o reducir el resultado a m nimos enteros.d6 Encerrar el resultado entre corc?etes recordando colocar una l nea ?ori'ontal sobre
negativos
DIFUSI2N-ecanismo por el cual la matera se transporta( los átomos se mueven de manera predecible( tratando deeliminar diferencias de concentración y producir una composición ?omog)nea. :os fenómenos de difusión sedan en sólidos( l quidos y gases( en estos 0ltimos es muy rápido( en los l quidos es más lenta al e3istir mayorinteracción atómica y finalmente en los sólidos se da por vibración t)rmica ?asta alcan'ar el equilibrio(
Ti1o* %e %i+,*i"
Autodifusión& Consiste en la difusión de átomos en un sólido por otro de su misma naturale'a.
Difusión de sólidos o impure'as4 Cuando las impure'as o átomos se despla'an en una matri' de átomosdiferentes.
3C,/ %o oc,rre !a %i+,*i" 4
• Debe e3istir una posición 5vacante6 pró3ima vac a.• tomos con suficiente energ a vibratoria para romper el enlace con sus vecinos y distorsionar la red
en el despla'amiento.
Meca i*#o* 1ri ci1a!e* %e %i+,*i"
• Sustitucional o por vacancias& Es cuando se mueven los átomos de/ando su posición para llenar otra
creando creando vacantes
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• Intersticial& En este caso el átomo intersticial se despla'a a otro sitio vac o sin despla'ar permanentemente a otro átomo de la matri'. :os átomos que se difunden intersticialmente son más peque2os que los de la matri'
E erg'a %e acti.aci" & Se le llama as a la energ a requerida para mover un átomo de un sitio de red a otro.
Eac Mec sustitución≫ Eac Mec Intersicial
F!,5o %e %i+,*i" 678& Cantidad de masa5átomos6 que se difunden perpendicularmente a trav)s de un área.
9:ERA LE; DE FIC< 6DIFUSI2N EN ESTADO ESTACIONARIO8
En este tipo de difusión( el flu/o 5F6 permanece constante( ya que no cambia la concentración de átomos desoluto en un punto determinado con el tiempo.
Se e3presa matemáticamente como sigue&
J =− D dcd
F& !lu/o de difusión( !"m2 s) & "0mero de átomos - que se difunden por unidad de superficie y tiempo
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# / #$ & Gradiente de concentración 5cambio de concentración por unidad de superficie6
D& Difusibilidad o coeficiente de difusión(m2s )
C& -asa de la sustancia o "A por unidad de volumen( !"m3) ó (atmm3 )El signo negativo indica que la dirección de la difusión es contraria al gradiente de concentración 5desdeelevada ?asta ba/a concentración6.
Di+,*i" = te#1erat,ra
El coeficiente de difusión tiene una dependencia e3ponencial con la temperatura
D= D %exp (− &d '( )
D& Coeficiente de difusión(m2s )
D=& Coeficiente de proporcionalidad(m2s )
Hd& Energ a de activación( J mol− ! )ó( e) mol− ! )
#& Constante de gases @.;7J
mol− !
1& 1emperatura absoluta Dintersticial≫ D *ubstitucional
>:DA LE; DE FIC< 6DIFUSI2N EN ESTADO NO ESTACIONARIO8
:a concentración del soluto en un punto del material cambia con el tiempo 5el flu/o de difusión y el gradienteno permanecen constantes6. :a mayor a de los materiales están en estado no estacionario.
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#C#t
= # # ( D #c# )
Condición l mite&
1 ¿ 0 C = Co +ara 0 < <
1 ¿ 0 concentraciónsu+er-icial
C =¿
¿
C = Co +ara =
C − CoCs− Co
= 1− er- ( 2 . Dt )
A1!icaci" e 1roce*o* i %,*tria!e*
• Endurecimiento superficial del acero• !abricación de
Sinteri'ación& :os átomos se difunden en los puntos de contacto( reduciendo el tama2o de poro( provocandola formación de puentes o cuellos entre las part culas o granos independientes.
:a difusión es más rápida para&
• En estructuras cristalinas no compactas.• -inerales con enlaces secundarios.• Difusión de átomos peque2os.• -ateriales de ba/a densidad.
:a difusión es más lenta para&
• Estructuras compactas.• -ateriales con enlaces covalentes.• Difusión de átomos grandes.• -ateriales de alta densidad.
De+ecto* cri*ta!i o*
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• untuales• :ineales• lanares• Volumen
ara calcular la concentración de los defectos puntuales&
N/ = Noe +(− &/ !( ) "v& "0mero de defectos por m7
"o& 1otal de sitios ocupados por átomos.
+Hv& Energ a de activación
J& Constante de $olt'man (1.38 10− 23
J atom− ! )ó(8.62 10− 5
e) atom− ! )1& 1emperatura.
K"vL" M ;=+ 5; vacante por cada ;=== lugares ocupados6
KEl n0mero de vacantes 5"v6 aumenta con la temperatura.
Dentro de los defectos puntuales están&
Defectos !renNel& n ión salta de un punto normal a un sitio intersticial de/ando una vacancia.
Defectos Sc?ottNy& ar de vacancias en un material con enlace iónico. ara mantener la neutralidad debefaltar un catión y un anión.
So!,ci" *"!i%a
!ase cristalina de composición variable. E3isten de dos tipos&
• Sustitucionales• Intersiticiales