Teoría Tema 1: Estructura Cristalina en Metales

Celdillas Unidad y Posiciones Atómicas

Celdilla unidad BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo):

• Posiciones atómicas: 8 átomos en las esquinas (0,0,0) y 1 átomo en el centro (1/2,1/2,1/2).
• Total de átomos por celdilla unidad: 9 (considerando las contribuciones de los átomos en las esquinas).

Estructuras Cristalinas Frecuentes en Metales

Las estructuras cristalinas más frecuentes en los metales son la Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC), la Cúbica Centrada en las Caras (FCC) y la Hexagonal Compacta (HCP).

Definiciones Clave

• Polimorfismo: Característica de un material que adopta más de una estructura cristalina, dependiendo de la temperatura y la presión.
• Alotropía: Característica que ocurre en un sólido elemental que adopta más de una estructura cristalina, dependiendo de la temperatura y la presión.

Tipos de Sólidos

• Sólido Cristalino: Presenta un ordenamiento tridimensional periódico de átomos (ordenamiento a corto y largo alcance). Se encuentra en metales (enlace metálico), muchas cerámicas y algunos polímeros. Ejemplos: Silicio (monocristalino), Acero inoxidable (policristalino).
• Sólido No-Cristalino (Amorfo): No existe ordenamiento periódico de átomos (solo ordenamiento a corto alcance). Ocurre en estructuras complejas y con enfriamiento rápido. Ejemplos: Cristal líquido, plástico.

Conceptos de Redes y Estructuras

• Red Atómica: Disposición tridimensional de puntos que coinciden con las posiciones de los átomos, donde cada punto tiene un entorno idéntico.
• Estructura Cristalina: Ordenación espacial de átomos, iones o moléculas a largo alcance; un modelo regular en tres dimensiones.
• Celda Unidad: Unidad estructural fundamental que define la estructura cristalina por su geometría y la posición de los átomos dentro de ella.
• Parámetro de Red: Describen el tamaño y forma de la celda unidad (longitudes de los lados y ángulos entre ellos).

Cristalización

Cristalización: Proceso de solidificación que resulta en la formación de materiales con ordenamiento regular de sus átomos/iones a largo alcance (patrón tridimensional repetitivo).

Empaquetamiento en Metales

Las estructuras cristalinas de los metales tienden al mayor empaquetamiento posible debido a:

1. El enlace metálico no es direccional.
2. Los radios atómicos son similares.
3. No hay restricción de vecinos cercanos.
4. Los empaquetamientos resultantes son muy compactos.

Monocristales vs. Policristales

• Monocristales: Sus propiedades varían con la dirección (anisotropía). Ejemplo: módulo de elasticidad del hierro BCC.
• Policristales:
  • Si los granos están orientados al azar, las propiedades son las mismas en todas las direcciones (isotropía).
  • Si existe una textura, las propiedades tienen valores distintos en direcciones diferentes (anisotropía).

Límite de Grano

Límite de grano: Superficie de separación entre dos cristales de un mismo grano policristal. Surge cuando dos cristales que han crecido a partir de núcleos diferentes se encuentran.

Teoría Tema 2: Imperfecciones Cristalinas

Defectos Cristalinos

Defecto cristalino: Irregularidad en la red cuya dimensión es del orden de un diámetro atómico.

Defectos Puntuales en Sólidos Metálicos

1. Vacante: Un átomo o ión falta de su punto de red cristalográfico habitual. El número de vacantes aumenta exponencialmente con la temperatura.
2. Defecto Intersticial: Un átomo se coloca dentro del cristal en un sitio que no es un punto de red. Puede ser autointersticial (intrínseco, menos probable) o intersticial (más probable).
3. Defecto Sustitucional: Un átomo de distinta naturaleza (tamaño diferente) ocupa un sitio de la red cristalina en lugar del átomo original.

Nota: La concentración de intersticios en un metal es considerablemente menor a la de vacantes, ya que los intersticios introducen más distorsión en la red.

Soluciones Sólidas

• Solución Sólida Ilimitada: Un soluto se disuelve en un disolvente sin crear una segunda fase. Las reglas de Hume-Rothery para la solubilidad ilimitada son:

1. Factor de tamaño: diferencia de radio atómico < 15%.
2. Misma estructura cristalina.
3. Misma valencia.
4. Aproximadamente la misma electronegatividad.

Ejemplo: Cobre y Níquel. Solución Sólida Limitada: Solo se puede disolver una cantidad máxima de soluto en el disolvente. Ejemplo: Carbono en hierro (acero). Solución Sólida (General): Se forma cuando al adicionar átomos de soluto al disolvente, la estructura cristalina se mantiene sin formar nuevas fases. Los átomos de impurezas se dispersan uniformemente. Las soluciones sólidas presentan defectos puntuales (sustitucionales e intersticiales).

Materiales Isotrópicos

Los materiales cuyas propiedades son independientes de la dirección en la que se miden se denominan materiales isotrópicos. Sus propiedades físicas (resistencia, conductividad térmica, densidad) son iguales en todas las direcciones.

Solubilidad en Soluciones Sólidas

La solubilidad completa en soluciones sólidas sustitucionales ocurre cuando los átomos de diferentes elementos tienen tamaños y estructuras similares, permitiendo ocupar los mismos sitios sin alteraciones significativas. En soluciones sólidas intrínsecas (donde el soluto es del mismo elemento), la presencia de átomos adicionales puede causar deformaciones en la estructura cristalina, limitando la solubilidad completa.

Otros Defectos Puntuales (Cerámicos)

• Defectos Frenkel: Par de defectos puntuales donde un ión se mueve creando un intersticio y dejando una vacante.
• Defectos Schottky: Para mantener la neutralidad de carga, se forman el mismo número de vacantes catiónicas y aniónicas.

La electroneutralidad se mantiene; el número de defectos Frenkel y Schottky en equilibrio depende de la temperatura.

Defectos Lineales (Dislocaciones)

Dislocación: Defecto lineal o unidimensional alrededor del cual hay desalineación atómica.

• Dislocación de Arista/Cuña: Planos atómicos desalineados crean una región en forma de V o cuña.
• Dislocación Helicoidal: Átomos desalineados en una espiral alrededor de un eje central.
• Dislocación Mixta: Combinación de dislocaciones de arista y helicoidales.

Sistema de deslizamiento: Plano + dirección de máxima densidad atómica. Número de sistemas de deslizamiento: BCC (48), FCC (12), HCP (3).

Las tensiones generadas por una dislocación anclan a otras dislocaciones durante su movimiento.

T3: Difusión en Sólidos

Proceso de Difusión

El proceso de difusión exige:

1. Un lugar vecino vacío.
2. Suficiente energía (energía de activación) para romper enlaces y distorsionar la red.

• Difusión: Transporte de materia por movimiento atómico.
• Autodifusión: Difusión en metales puros.
• Interdifusión: Difusión entre metales puros.

Mecanismos de Difusión en Estado Sólido

• Difusión por Vacantes: Los átomos saltan a posiciones vacantes. Requiere vacantes, cuya concentración depende de la temperatura.
• Difusión Intersticial: Los átomos se mueven a través de los espacios intersticiales.

En la mayoría de los metales, la difusión intersticial es predominante porque:

1. Ocurre más rápidamente (átomos intersticiales más pequeños y móviles).
2. Hay más posiciones intersticiales vacías que vacantes.

Por ello, la velocidad de difusión intersticial es mayor y la energía de activación (Q) es generalmente menor que para la difusión por vacantes.

Condiciones de Difusión

• Estado Estacionario: El flujo de difusión es constante en el tiempo (gradiente de concentración constante).
• Estado No Estacionario: El flujo de difusión cambia con el tiempo debido a variaciones en concentración, temperatura, etc.

Factores que Afectan la Difusión

1. Mecanismo: Sustitucional/vacantes vs. Intersticial.
2. Estructura cristalina del disolvente.
3. Concentración de la sustancia que difunde.
4. Temperatura de difusión.
5. Imperfecciones cristalinas (tipo y densidad).
6. Tiempo de difusión.

Las unidades del flujo de difusión son átomos/cm²·s.

Ensayos Mecánicos y Propiedades

Ensayo de Charpy

Mide la tenacidad de un material, específicamente su resistencia al impacto. La unidad es el Joule (J).

Ensayos de Dureza

Dos de los ensayos de dureza más utilizados son:

1. Ensayo de Dureza Brinell: Aplicación de carga estática con una bola de acero endurecido.
2. Ensayo de Dureza Rockwell: Medición de la profundidad de penetración de un indentador bajo carga.

Ensayo de Tracción

Aplicación de una fuerza estática uniaxial para medir:

• Carga instantánea aplicada.
• Alargamiento.
• Esfuerzo/Tensión nominal (σ): Fuerza por unidad de área transversal (σ = F/A₀).
• Deformación nominal (ε): Alargamiento por unidad de longitud (ε = Δl/l₀).

Pros y contras: Común, determina propiedades clave para el diseño, pero es destructivo.

Anelasticidad

Anelasticidad: Dependencia del tiempo de los mecanismos microscópicos de deformación.

Ductilidad y Fragilidad

• Ductilidad: Grado en que una estructura puede deformarse antes de romperse. Los materiales dúctiles son “indulgentes”.
• Fragilidad: Los materiales frágiles tienen una deformación a la fractura menor al 5%.

Tenacidad

Tenacidad: Energía total absorbida antes de la fractura. La geometría de la probeta y la aplicación de la carga son fundamentales.

Tenacidad a entalla (impacto): Se mide bajo condiciones de carga dinámica.

Un material tenaz combina alta resistencia y alta ductilidad.

Propiedades Determinadas por Ensayo de Tracción

Módulo de elasticidad, límite elástico, módulo de resiliencia, resistencia a la tracción, ductilidad, tenacidad, coeficiente de Poisson.

Dureza

Dureza: Resistencia a ser rayado o a la abrasión en la superficie lisa de un material.

Módulo de Poisson (ν)

Módulo de Poisson: Mide la capacidad de un material para deformarse perpendicularmente a una carga aplicada. Es la relación entre la deformación lateral y la deformación longitudinal.

Límite Elástico

Límite elástico: Punto máximo de esfuerzo que un material soporta sin deformación plástica permanente. Incluye el límite elástico proporcional (relación esfuerzo-deformación lineal) y el límite elástico específico (valor de referencia para deformación plástica).

Comportamiento de Probeta Dúctil en Tracción

Durante un ensayo de tracción, una probeta cilíndrica dúctil:

• En el régimen elástico, se alarga reversiblemente.
• En el régimen plástico, se deforma permanentemente.
• Al llegar a la rotura, se fractura tras acumular deformación plástica.

Caída en la Curva σ-ε Nominal

La caída en la curva de esfuerzo-deformación nominal después de la resistencia a la tracción se debe al estrangulamiento localizado (formación de “cuello”) de la muestra, que reduce su sección transversal efectiva y, por tanto, el esfuerzo necesario para continuar la deformación.

Resiliencia y Tenacidad (Energía)

• Resiliencia: Capacidad de un material para absorber energía elástica y recuperarse. Se mide en energía por unidad de volumen (J/m³).
• Tenacidad (estática): Capacidad de un material para absorber energía antes de la fractura bajo carga lenta y constante. Se calcula como el área total bajo la curva esfuerzo-deformación hasta la rotura (J/m³).

Frecuencia de Ensayos de Dureza

Los ensayos de dureza son más frecuentes que otros ensayos mecánicos porque son:

• Sencillos y económicos.
• No destructivos.
• Permiten estimar otras propiedades mecánicas.

T4: Propiedades Mecánicas y Ensayos

Rigidez de Enlaces Químicos

La propiedad mecánica que da cuenta de la rigidez de los enlaces químicos es el módulo de elasticidad (o módulo de Young).

Módulo de Elasticidad

Módulo de elasticidad (Módulo de Young): Medida de la rigidez o resistencia de un material a la deformación elástica bajo tensión. Un mayor módulo indica mayor rigidez.

Observaciones en Probeta de Aluminio (Máximo de Curva)

Al alcanzar el máximo de la curva de tracción en una probeta de aluminio, se observa el punto de mayor resistencia. El material experimenta una deformación plástica significativa y puede presentar signos de inestabilidad como estrías o líneas de deslizamiento. Posteriormente, se acerca a la fractura.

Deformación Elástica

La deformación es elástica cuando, al retirar la carga, el material recupera su forma y dimensiones originales.

Interpretación del Módulo de Elasticidad

El módulo de elasticidad se interpreta como la resistencia de un material a la deformación elástica.

Resiliencia

La resiliencia es una medida de la tenacidad (en el sentido de capacidad de absorber energía elástica).

Cálculo de Resistencia a la Tracción y Ductilidad

Datos:

• Sección inicial (A₀): 3 mm²
• Longitud inicial (L₀): 50 mm
• Esfuerzo máximo (F): 4000 N
• Sección final (A<0xE2><0x82><0x9F>): 4 mm²
• Longitud final (L<0xE2><0x82><0x9F>): 75 mm

Cálculos:

• Resistencia a la tracción (σ<0xE1><0xB5><0x9C>):
• σ<0xE1><0xB5><0x9C> = F / A₀ = 4000 N / 3 mm² = 1333.33 N/mm² = 1333.33 MPa
• Ductilidad (%EL):
• %EL = ((L<0xE2><0x82><0x9F> – L₀) / L₀) * 100 = ((75 mm – 50 mm) / 50 mm) * 100 = (25 mm / 50 mm) * 100 = 50%

Definición de Resistencia a la Tracción

Resistencia a la tracción: Capacidad de un material para resistir la deformación y ruptura bajo una fuerza de tracción. Se mide como la carga máxima que soporta dividida por su área original.

Etiquetas: celda unidad, defectos cristalinos, Difusión, dislocaciones, Ensayos Mecánicos, Estructura cristalina, propiedades mecánicas