Estructura cristalina de los metales
- 1. Estructura Cristalina de los Metales Fundamentos de Soldadura
- 2. Introducción Dentro del universo de los materiales de la Ingeniería, los metales ocupan un lugar preponderante. En nuestra región, la Industria Metal-Mecánica es una de las más vigorosas y de mayor importancia económica. Como parte de la formación, es deseable que el ingeniero actual posea el conocimiento de la estructura de los metales que le permita explicarse sus propiedades y comportamiento en las aplicaciones específicas.
- 3. Propósito El propósito de ésta presentación es discutir la estructura cristalina de los metales y cómo ésta determina algunas de las propiedades más relevantes.
- 4. ¿Qué es un metal? La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente el calor y la electricidad (tal como el cobre) y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo.
- 5. El concepto de metal se refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con características metálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los no metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio. En comparación con los no metales tienen baja electronegatividad y baja energía de ionización, por lo que es más fácil que los metales cedan electrones y más difícil que los ganen. En astrofísica se llama metal a todo elemento más pesado que el helio. Se obtiene a partir de los minerales que contienen menas metálicas.
- 6. Arreglos Atómicos Los metales, como todos los elementos químicos, están formados por átomos. Para muchos propósitos es útil considerar éstos átomos como esferas rígidas. Así podremos hablar del tamaño de los diferentes elementos por su radio atómico. Los tamaños de los átomos se miden en unidades de Angstrom (1 Angstrom = 10^-8 cm). Un centímetro contiene 100 millones de Angstroms.
- 7. En la siguiente figura se presentan los tamaños relativos de algunos átomos: Hierro (1.24 A) Níquel (1.25) Oxígeno (0.6 A) Carbono (0.71) Nitrógeno (0.71) Helio (0.46) En metalurgia siempre es importante tener presente los tamaños relativos de los componentes en una aleación.
- 8. En los materiales en estado líquido, los átomos se encuentran en movimiento aleatorio (no guardan posiciones fijas). Cuando los materiales se solidifican al ser enfriados, dicho movimiento cesa. En estado sólido los átomos pueden adquirir un ordenamiento definido tridimensional: en tal caso se dice que se tiene una Estructura Cristalina. Por el contrario, algunos materiales no presentan tal ordenamiento (al solidificarse), se dice que son materiales Amorfos. Todos los metales forman cristales en estado sólido. Aún así, algunos materiales pueden ser amorfos o cristalinos, según como son enfriados.
- 9. Metales Cristalinos En un metal de éste tipo, los átomos se agrupan dentro del mismo formando arreglos regulares, ordenados, repetitivos y periódicos. Forman estructuras tridimensionales. A su vez, éstos grupos de átomos pueden ordenarse para formar planos que poseen distintos arreglos geométricos: Planos Compactos y Planos No Compactos.
- 10. Los solidos cristalinos adoptan alguna (o algunas) de las 14 estructuras posibles. En la figura siguiente se muestran éstas estructuras, denominadas Redes de Bravais.
- 11. Afortunadamente, salvo algunas excepciones, los metales cristalizan en sólo 3 estructuras: la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), la estructura cúbica centrada en las caras (fcc), y la estructura hexagonal compacta (hcp). Éstas estructuras tienen la característica de ser muy compactas; permiten aprovechar eficientemente el espacio dejando pocos huecos. En las estructuras FCC y HCP, el 74% del espacio está ocupado por átomos y el resto (26%) es espacio vacío. En la estructura BCC ésta eficiencia o “factor de empaquetamiento” es de 68% (con el restante de espacio vacío). Las estructuras FCC y HCP son más densas o compactas que la BCC (naturalmente hablando en metales puros).
- 12. Ejemplos de las estructuras… Es útil tener ejemplos de las estructuras en base a los materiales conocidos. En general, los materiales más dúctiles son de estructura FCC; el oro, plata, cobre, aluminio, níquel… entre otros, adoptan ésta estructura. Por otro lado, el Hierro a baja temperatura, y el Tungsteno (W) adoptan la estructura BCC, mientras que el Zinc y el Titanio son ejemplos de metales con estructura HCP.
- 13. El Hierro Puro puede adoptar dos estructuras diferentes, dependiendo de la temperatura a la cual esté sometido. A temperatura ambiente y hasta los 910°C posee estructura BCC; arriba de los 910°C y hasta 1394°C adopta estructura FCC, y de entre los 1394°C a los 1538°C vuelve a tomar la forma BCC. Al pasar los 1538°C (la temperatura de fusión del Hierro), el material pierde su estructura cristalina al pasar al estado líquido. Se dice que el Hierro es “polimórfico” o “alotrópico” por adoptar diferentes estructuras cristalinas.
- 14. Al Hierro BCC de baja temperatura se le llama Hierro alfa o “ferrita”; a temperatura ambiente es Hierro Magnético. Al hierro con estructura FCC se le llama Hierro gamma o “austenita”, mientras que al hierro BCC de alta temperatura es nombrado Hierro delta. Cada una de éstas formas es llamada FASE.
- 15. En la figura 5 se ilustran los detalles de las estructuras BCC y FCC, nótese que en ellas existen huecos que pudieran ser ocupados por átomos de menor tamaño.
- 16. Defectos Cristalinos El arreglo de los materiales cristalinos no es perfecto. Un lugar que debería estar ocupado por un átomo a veces está vacío: éste defecto recibe el nombre de Vacancia. Otro de los defectos comunes es el de impureza sustitucional, que es aquel que ocurre en metales aleados: un lugar que normalmente está ocupado por el metal huésped puede ser ocupado por otro átomo de radio atómico similar.
- 17. Cuando los átomos de impureza son considerablemente más pequeños que los átomos del metal huésped, pueden alojarse en los huecos o intersticios de la red cristalina; éste defecto se conoce como átomo de impureza intersticial.
- 18. Dislocaciones También, dentro de los metales cristalinos, existen éstos defectos, llamados dislocaciones. Son un defecto en el ordenamiento de los átomos que se manifiesta como líneas. En la siguiente figura se muestra una dislocación de borde.
- 19. En ésta figura se muestra el aspecto que presentan las dislocaciones al ser observadas mediante un microscopio electrónico de transmisión
- 20. Las dislocaciones son responsables de la ductilidad de los metales. La línea de dislocaciones puede deslizarse sobre planos cristalinos de la estructura cuando se aplica un esfuerzo a los metales, produciendo una deformación plástica. Las dislocaciones existen en gran número, y se generan durante el proceso de solidificación. Para entenderlo más fácilmente, una muestra de acero recocido de 1 cm3 de volumen contiene típicamente cerca de 1 millón de dislocaciones, mientras que en un acero laminado en frio la cantidad de dislocaciones puede ser millones de veces más elevada.
- 21. Se sabe que un metal recocido es suave y de baja resistencia mecánica, esto debido a la moderada cantidad de dislocaciones que contiene y que son relativamente libres de moverse bajo la acción de esfuerzos menores. Cuando el metal es deformado en frio su dureza y resistencia aumentan, debido a que las dislocaciones experimentan mayor dificultad para deslizarse y sólo lo hacen en cantidades limitadas bajo esfuerzos muy elevados.
- 22. ¿Un metal sin Dislocaciones? Con el avance tecnológico actual, los metalurgistas se han planteado el problema de calcular la resistencia de los metales en condiciones libres de defectos (sin dislocaciones). El resultado indica que un metal libre de dislocaciones sólo pueden deformarse o romperse bajo esfuerzos que son del orden de cien a mil veces superiores a los valores de resistencia reales encontrados en metales procesados convencionalmente. Bajo situaciones controladas, se ha logrado producir muestras de tamaños limitados de metales con un numero muy reducido de dislocaciones y que presentan resistencias cercanas a las teóricas.
- 23. Conclusiones: 1. Las estructuras cristalinas que adoptan en su mayoría los materiales metálicos, así como las imperfecciones en los arreglos que se forman en los mismos, determinan en buena medida muchos de las propiedades más relevantes. Como ejemplo de esto, los defectos llamados dislocaciones son los responsables de la ductilidad de los metales. 2. En una aleación, los elementos aleantes pueden existir como átomos aislados alojados en la red cristalina, ya sea intersticiales o sustitucionales.
- 24. 3. El conocimiento de la estructura cristalina de los metales permite comprender mejor sus propiedades y su desempeño práctico dentro de las aplicaciones de la Ingeniería Metal-Mecánica.