Tecnologia de Materiales Presentacion

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES FACULTAD DE ARQUITECTURA, DISEÑO Y URBANISMO CATEDRA CATEDRA:: TECNOLOGIA TECNOLOGI A - LOUZAU MATERIA: MATERIA: TECNOLOGIA I – I – Ing. Ing. Carlos Dominguez

TECNOLOGIA DE MATERIALES Octubre 2011

T Tec ecn nolog ología ía de ma matter erial iales es material: porción porción de mater materia ia sólida sólida a la que que se li pide piden n unas propiedades propiedades útile útiless para determi determinadas nadas aplic aplicaciones aciones..

materiales sólidos

materia

Material ≠ materias primas o reactivos químicos

Tecnolog ecnología ía de materiales

Tecnología de materiale materialess Ingeniería de los materiales : disciplina que se ocupa del estudio de los materiales en relación a sus propiedades, estructura, procesamiento y aplicaciones.

APLICACIONES

PROCESAMIENTO

PROPIEDADES

ESTRUCTURA


Clasificación de los materiales NO-METALES

METALES más electropositivos

más electronegativos

Clasificación de los materiales ENLACE IÓNICO

ENLACE COVALENTE ENLACE METÁLICO

Enlace covalente: entre átomos no metálicos. Como ningún átomo no tiene tendencia a ceder electrones, en un enlace covalente los electrones se comparten.

Enlace iónico: entre un metal y un no-metal. Hay una transferencia electrónica de un átomo a otro formándose iones de diferente signo que se atraen por fuerza electrostática.

Enlace metálico: entre átomos metálicos. Cada átomo cede un o dos electrones que acaban moviéndose libremente por el material.

Tecnología de materiales

Clasificación de los materiales ENLACE IÓNICO

ENLACE COVALENTE ENLACE METÁLICO

Materiales metálicos: enlace metálico Materiales cerámicos: enlace iónico o covalente. Materiales poliméricos o polímeros: formados per grandes moléculas de carbono, enlace covalente.


Clasificación de los materiales En general los materiales en dónde domina el enlace covalente o iónico son frágiles, duros, son males conductores eléctricos y presentan un elevado punto de fusión. En cambio, los materiales metálicos son en general tenaces, dúctiles, buenos conductores eléctricos y térmicos y, además, son buenos absorbentes de la luz, lo que les da un brillo metálico característico. • • •

Pero existen materiales metálicos aislantes o muy resistentes como el Nicrom NiCr. Los mejores superconductores son materiales cerámicos. Existen polímeros conductores y muy duros que se emplean en la construcción.


Clasificación de los materiales Los enlaces covalente e iónico son dos casos límite que corresponden respectivamente a una diferencia nula o muy grande de electronegatividad de los átomos implicados en el enlace.

•

Para situaciones intermedias, existe el enlace mixto-iónico covalente. Cuanta más pequeña es la diferencia de electronegatividad de los átomos, más naturaleza covalente tiene el enlace. En cambio, cuanto más diferentes son las electronegatividades, más naturaleza iónica tiene el enlace mixto.

•

También existe el enlace metálico-covalente o enlace mixto metálico-iónico en este caso entre metales de diferente electronegatividad. El enlace metálico-iónico da lugar a los compuestos intermetálicos , con interesantes propiedades tecnológicas para la obtención de aleaciones resistentes.

•

•También existen enlaces secundarios que están asociados

a asimetrías en la distribución de la carga en los átomos o moléculas (dipolos) conocidos también con el nombre de enlaces de van der Waals y, en general, son débiles y no dan lugar a sólidos por si s olos. Pero en polímeros y cementos estos enlaces hacen un papel muy importante en los enlace por puente de hidrógeno. Tecnologías, Información y Cultura Europea Tecnología de materiales

La direccionalidad de los enlaces Los enlaces covalentes sólo se pueden establecer en unas direcciones determinadas. El enlace es direccional.

Exemple:CO CO 2 Ejemplo: 2

O --

C

-O

Si intentamos Si intentem desplazar este desplaçar aquest oxigen oxígeno el enlace se l’enllaç rompe es trenca

Electrons compartits

electrones compartidos


La direccionalidad de los enlaces Enlace iónico: una vez el átomo ha perdido 1 o 2 electrones adquiere una forma perfectamente esférica: La fuerza de Coulomb entre los dos iones Cl- i Na+ sólo depende de la distancia mutua y no de la dirección (Ley de Coulomb). Es un enlace adireccional. Cl-

Atracció de Coulomb

d F  k

+

Na

e2 2

d

Na+


Cl-

Na+

La direccionalidad de los enlaces Enlace metálico: los electrones compartidos no ocupan posiciones determinadas entre los átomos. Es un enlace adireccional.

Cationes

Cations

Mar d ’electrons

Mar de electrones


Propiedades mecánicas Esencialmente les propiedades mecánicas hacen referencia a la deformación o fractura que experimenta un material bajo la acción de fuerzas externas. Relación esfuerzo-deformación en el régimen elástico. Ley de Hooke

Definición de deform ación  L

L0

Elongación: ∆ L≡ L-L0

La mayoría de los materiales cumplen la Ley de Hooke:

Deformación unitaria: ε 

L  L0

L

unidades :

m m



milla milla



km km

Deformación en %: ε(%)  100

L 0

 1, es adimensional.

L  L 0 L0

 100  ε



σ 

 L

E  ε



ε 

1 E

σ

L0

El esfuerzo σ y la deformación ε son proporcionales. La constante de proporcionalidad, E , es característica de cada material y se denomina: 

• • •

Módulo de Young. Módulo elástico. Módulo de rigidez.


Pendiente, E

(modulo de Young)

00



Propiedades mecánicas 500

•

Limite elástico y resistencia

deformació al màxim de la corba

u

400

 límite elástico o esfuerzo de fluencia. Es el 300 ) a esfuerzo P en que empieza la deformación plástica.

•σy

y

M ( 

200

• σu Resistencia.

Si el esfuerzo aplicado supera σu, el material se rompe. deformació 100

deformació plàstica

elàstica

0

• •

0 0.04 0.08 0.12 Los materiales con σ y y σ u elevados deformació () son resistentes.

0.16

Ductilidad La ductilidad es la capacidad de deformación plástica. Se suele medir en el ensayo a tracción. • En los metales, típicamente, la máxima Los materiales con alargamiento o reducción de deformación elástica es de 0,002, mientras que la área elevados son muy dúctiles. máxima deformación plástica puede alcanzar a 0,4. El caso contrario son los materiales frágiles.

Además el módulo de Young suele ser muy grande.


Propiedades mecánicas Dureza La dureza se puede definir como “la resistencia del material a ser rayado”. El método más antiguo para determinar la dureza consiste en intentar rayar el material con puntas de distinta dureza.

Escala de Mohs 1-talco, 2-yeso, 3-calcita, 4-fluorita, 5-apatito, 6-ortosa, 7-cuarzo, 8-topacio, 9-corindón, 10-diamante.

Actualmente existen métodos mucho más finos que otorgan un número a la dureza del material. El valor de este número depende del método empleado, pero los distintos métodos se basan en el mismo procedimiento de indentación:

F

Cuanto más grande es la huella, menor es la dureza. La dureza se define como

la oposición que presenta el material a la deformación plástica bajo un esfuerzo a compresión con una punta determinada o normalizada.


Propiedades mecánicas Los métodos concretos (forma y dimensiones de la punta, carga aplicada...) definen las diversas escalas de dureza:

Ensayo

P unta

Brinell

Esfera de 10 mm de acero o de carburo de tungsteno Pirámide de diamante

Vickers

Knoop

Rockwell

Pirámide de diamante ▪Cono de diamante ▪Esferas de acero de

Forma de la punta V is ta l ater al Vista superior

Carga

D

P

d

Fórmula para determinar la dureza πD

d 136º

d 1

2P

HB 

d 1

D  

HV 

P b

t

HK 

P

l/b= 7,11 b/t=4 ,00

l 120º

D

2

 d

1,854P

2

  

2 d 1 14,2 P

l 2

60kg 



100 kgRockwell 150 kg  15kg  Rockwell 30kg  superf icial 45kg

1 1 1 1 , , , 16 8 4 3 pulgadas de diámetro

Para las fórmulas de la tabla, la carga, P, está en kg y D , d , d 1 y l en mm (W. D. Cal lister, Fundamentalso f Materials Science a ndEngineering,5a ed., John Wileya nd Sons,2001, EUA).


Propiedades mecánicas Aunque la dureza es una propiedad de la superficie del material con interés per sí misma, la determinación de la dureza puede tener un valor añadido, ya que los materiales más resistentes también suelen ser más duros. La dureza se emplea como un método aproximado rápido, barato y simple de cuantificar la resistencia. En los aceros σu es prácticamente proporcional a HB.

Aceros 1.500

aceros:(MPa)u 3,5 HB~

) a P M ( u

1.000



, a i c n è t s i s e R 500

Esta relación s ólo es válida para materiales que presenten deformación plástica. NO sirve ni para las cerámicas ni para los vidrios. Tampoco sirve para los materiales que tienen un tratamiento superficial.


Latones Fundición esferoïdal

0

0

100

200

300

400

HB (dureza Brinell)

500

Intensidad del enlace y propiedad propiedades es mecánicas Energ Energ ia del enlac enlac e y tem peratu peratu ra de fusión Tipus d’enllaç enllaç

Energia d’ enllaç (kJ/mol)

Substán Substáncia cia

Temperatura Temperatura de fusió fusió (ºC)

Iónic

N aCl M gO

6 40 1 00

80 1 2 .80 0

Covalent

Si C

4 50 7 13

1 .41 0 >3 .55 0

Metál·lic

Hg

68

-3 9

Al 3 24 66 0 Fe 4 06 1 .53 8 El conocimiento conocimiento d e W la temperatura de fusión, T f , es muy ya que nos 3dice 8 4importante 9 .41 0si el enlace enlace es más más o menos fuerte. fuerte. Esta relación relación hace que que muchas muchas propie propiedade dadess varie varien n de manera monótona con la T f . T f

+

-

Rigidez

+

-

Dureza

+

Dilatación + térmica

-

-


Intensidad del enlace y propiedades propiedades mecánicas La rigidez es una propiedad directamente relacionada con el enlace. Cuanto más intenso intenso es el enlace, más fuert f uerte e es la unión unión entre entre átomos, y por lo tanto más oposición presenta presenta el material material a ser deformado deformado y es más rígido. rígido. Por esta esta razón, razón, los materi materiales ales que que tienen tienen puntos puntos de fusión elevados elevados son materiales materiales rígidos. rígidos.


Intensidad del enlace y propiedades propiedades mecánicas Nos podemos preguntar “y por qué qué el el material aterial sólo s ólo se deform deforma a L?” A nivel atómico la respuesta es clara: “A causa de les atracciones atracciones entr entre e los átom átomos”.

L0

L0+  L

Si ahora nos preguntamos: “ Y por por qué la fuerz fuerza a F no es es capaz de romper el material? ”. Respuesta: porqué porqué no supera la atracción entre entre los l os átomo átomos. s.

F=0 F=0

Según esta aproximación aproximación es tamos tamos diciendo que el módulo módulo de Young Young y la resistencia serian menor enores s i les atracciones atracciones ató a tóm micas fueran fueran menores. O lo que es lo mismo mismo,, que las propiedadesmecánicas propiedadesmecánicas dependen dependen sobretodo del enlacequímico. Porejemplo:Tf (Al) 600º 60 0ºC C Tf (F (Fe) e) 1500 1500ººC

En conjunt conjunto,todos o,todos los aceros serán más rígidos, duros y resistente resistentes s que las alea aleacion ciones es en base Al. Al.

Porejemplo:T f (polímeros) < 300ºC Tf f( f(cerá cerámicas) micas) > 1500ºC 1500ºC


Los polímeros polímeros son menosduros,rígidos i tienenm ay ayor or fluenc fluencia ia que las cerámicas cerámicas..

Intensidad del enlace y propiedades mecánicas Propiedades que dependen de la composición química y de la estructura: a) Temperatura de fusión, T f b) Módulo de Young, E c) Densidad d) Dilatacion térmica e) Limite elástico f) Resistencia c) Dureza d ) Ductilidad e) Termofluencia


La estructura de los materiales En función del empaquetamiento de los átomos, los sólidos pueden ser:

a) Cristalinos: los átomos están ordenados de acuerdo con diversas estructuras atómicas.

b) Amorfos: los átomos están desordenados. Una fase amorfa también se llama fase vítrea y un material amorfo se denomina vidrio.


La estructura de los materiales Los átomos se pueden ordenar de muchas formas distintas, pero que se agrupan en 7 sistemas cristalinos:


Empaquetamiento atómico Los metales se ordenan principalmente en 3 tipos de estructuras cristalinas de alta simetría: CC: cúbico centrado (Cr, Fe-α, Mb, Ta, W)

CCC: cúbico centrado a las caras (Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag, Fe-γ)

HC: hexagonal compacto (Cd, Co, Ti-α, Zn)


Estructura y deformación plástica Imaginemos un monocristal sometido a un ensayo de tracción: 

y



y L=a Plano de deslizamiento

a

Monocristal de Zn 

(a)

Plano de deslizamie( b n t)o

La primera figura (a), según la cual los enlaces se rompen σ > σy, es falsa. La deformación plástica no corresponde a la rotura del material. La figura (b) corresponde a la imagen correcta de la deformación plástica. El material no se rompe sino que “ fluye”.


Estructura y deformación plástica En materiales policristalinos, estos mecanismos se pueden observar a nivel de los granos individuales (→ microscópio óptico).

Las línias corresponden a planos de deslizamiento en cobre policristalino.

Cambio de la estructura de un cobre policristalino asociado a la deformación plástica en frio.


Estructura y deformación plástica La ductilidad de los metales proviene principalmente de la adireccionalidad del enlace: a

A B Plano de deslizamiento

Para cualquier desplazamiento Δa, los átomos del plano A atraen los átomos del plano B. Mientras el metal se deforma no aparecen grietas. Es comprueba que: CCC CC HC

Ejemplos: Més planos

Duct ili dad


Al, Cu, Fe-γ Fe-α Ti, Mg

Estructura y deformación plástica Ausencia de deformación plástica en las cerámicas. Comportamiento frágil a) Cerámicas iónicas

A B Rotura del cristal

a c n i ó i à s l t u s o p r e t c R l e e

b) Cerámicas covalentes

A B

cuando los átomos del plano A se desplazan hacia la derecha, los enlaces no pueden mantener las direcciones determinadas que fija el tipo de enlace y se rompen.


Mecanismos de endurecimiento en los metales Una vez visto cual es el mecanismo microscópico de la deformación plástica, nos podemos plantear si es posible o no variar la resistencia a esta deformación (variar σ y). La respuesta es directa: “ Sí. Qualquier modificación de la estructura que dificulte el deslizamiento incrementará σ y.” Adicionalmente σu también aumentará y el metal será más duro. Hay cuatro mecanismosde endurecimiento : a) Por solución sólida. b) Por precipitados duros. c) Por disminución del tamaño de grano. d) Por trabajo en frio.


Mecanismos de endurecimiento en los metales A. Endurecimiento por solución sólida Los átomos de soluto hacen que los planos de deslizamiento no sean tan planos → deslizamiento más difícil.

Metal puro

Plano de

Solución sólida

deslizamiento

El soluto se endurecerá más cuando el radio sea más diferente.


Mecanismos de endurecimiento en los metales 280

180

Be

160

a p 210 M Si

y



Sn

, c i t 140 s à l e t i m70 í L 00

Material Radio(ºA) r (%) Cu 1,278 Zn 1,332 4,2 Ni 1,243 -2,7 Al 1,432 12,1 Sn 1,509 18,1 Si 1,176 -8,0 Be 1,143 -10,6

Al

10

Ni Zn

20

a P140 M 120 y



30

100 80 60 0

20

30

40

50

10

20

30

40

50

) . 60 n o l e 50 % ( t a 40 t i l i t c 30 u D 20 0

Porcentaje soluto, x %

10

Composición (% peso Ni)

Composición (% pesoNi)

Ejemplo, aleaciones en base de Cu


Mecanismos de endurecimiento en los metales B. Endurecimiento por precipitados duros

Precipitado duro El plano de desplazamiento indicado quedará inutilizado por la presencia del precipitado duro. Este efecto no se conseguiría si el precipitado fuero menos duro que el metal que es queremos endurecer. En general, endurece más muchos precipitados pequeños que pocos y grandes. Ejemplos: • Los duraluminios • Los aceros al C, se debe a los precipitados de cementita (Fe3C).


Mecanismos de endurecimiento en los metales C. Endurecimiento por disminución deltamaño de grano En un material policristalino, cada frontera de grano actúa como un obstáculo al deslizamiento, ya que el plano de deslizamiento cambia de dirección: Tamaño degrano, d(mm)

Frontera de grano t n e m a c s i l e d a l P

10-1

10-2

5·10-3

200

) a150 P M ( y 100 

50

GranoA

0

Aleación 70Cu-30Zn 4

8

12

16

d- 1/(2m m)-1/2

Los granos tienen diferentes orientaciones cristalográficas. Por esta razón el plano de deslizamiento ha de cambiar de dirección al pasar por la frontera de grano, y se dificulta el deslizamiento. Este efecto es más importante cuanto mayor es el cambio de dirección (ángulo de la frontera de grano). Este fenómeno también se da en las maclas. Cuanto más pequeños s on los granos, mayor es el endurecimiento. Muchos materiales siguen la relación de Hall-Petch: donde σ0 y ky s on constantes del material y d es el diámetro medio de los granos.


Mecanismos de endurecimiento en los metales D. Endurecimiento por deformación en frio Cuando se deforma plásticamente un metal a T suficientemente baja, inevitablemente los átomos se desordenan parcialmente y aparecen nuevas dislocaciones que desdibujan los planos de deslizamiento. Debido a la deformación en frio, el material se endurece, aumenta la resistencia y disminuye la ductilidad, el material ha ganado “acritud”. Ejemplo: hilo de cobre.

Hilo de máquina D = 10 mm σy=220 Mpa

Hilo de cobre D= 0,2 mm σ y =345 Mpa


Mecanismos de endurecimiento en los metales D. Endurecimiento por deformación en frio El trabajo en frio incrementa la resistencia. Este incremento se suele representar en función del porcentaje de trabajo en frio (% CW): Ad : sección de la pieza deformada

Las gráficas indican que a medida que el metal se hace más resistente se vuelve a la vez más frágil. Llega un momento en que la ductilidad es nula y ya no es posible continuar deformando sin que aparezcan grietas. Acero 1040 70 0

800

a P 50 0 M

a P 600 M

Latón

y



Latón

u



30 0

10 0 0

Acero 1040

Cobre

20

40

%CW

60

Cobre

400

2000

20

40

60

%CW


) . 60 n o l e % (40 t a t i l i t c20 u D 00

Laton

20

40

%CW

60

Restauración de las propiedades mecánicas de los metales La recocción La recocción consiste en calentar el material a la temperatura y tiempo adecuado para que los defectos creados durante el trabajo en frio desaparezcan. Microscópicamente, se puede entender del siguiente modo: agitación T -

térmica

movimiento delos átomos a pos iciones más estables


est.cristalina má s perfecta

Restauración de las propiedades mecánicas de los metales En la recocción podemos considerar tres etapas: •Recuperación. En esta etapa se eliminan las tensiones residuales. El movimiento de dislocaciones forma una estructura subgranular. La densidad de dislocaciones no cambia. Por lo tanto, se mantienen las propiedades mecánicas pero mejora la conductividad eléctrica y puede que mejore la resistencia a la corrosión. •Recristalización. Se forman nuevos granos cristalinos libre de defectos. Los nuevos granos nuclean en las fronteras de la estructura subgranular. Se recuperan las propiedades mecánicas que tenía el material antes de ser deformado. • Crecimiento de grano. El tamaño medio de los granos aumenta y se empobrecen las propiedades mecánicas. Se debe evitar esta etapa.

La recocción contra acritud termina en la segunda etapa y tiene como objetivo restaurar las propiedades mecánicas que tenía el material antes del trabajo en frio


Restauración de las propiedades mecánicas de los metales Recocción de un latón a 580ºC a diferentes tiempos s

u

L E %

) a P M ( u s

0s

3s

t a t i l i t c u D

Ductilitadad

4s

rec uperación

8s

15 min

10 min (a 700 ºC)

) m m ( a r g e d a d i m

recristalitzación

Crecimiento de grano

Nuevo s granos

Tem peratura de recocción (ºC)

W.D. Callister, Fundamentals of materials Science and Engineering, 5ed, John Wiley and Sons, 2001, EUA)

A temperaturas elevadas, el tiempo de recocción debe ser más corto para obtener el mismo resultado. tiempo ≈ 1 hora para Trecocción ~0,3Tf a 0,4Tf (K)


Solidificación La solidificación es posiblemente el cambio de fase más importante en los materiales. La mayoría de los metales han pasado por el estado fundido antes de convertirse en una pieza. Todos los materiales vítreos y amorfos han pasado por un estado fundido. Los polímeros también pasan por un estado fundido en su conformación.


Evolución térmica durante la fusión Cuando calentamos una material sólido de forma constante podemos observar la siguiente evolución:

Tiempo No podemos superar la temperatura de fusión (Tf) hasta que todo el sólido se haya fundido. No puede existir el material en estado sólido para T superiores a la Tf. Para pasar del estado sólido al líquido debemos subministrar energía, por lo tanto se trata de un proceso endotérmico .


Evolución térmica durant la solidificación Subenfriamiento:

Tiempo

Para que el material solidifique es necesario que el líquido esté por debajo de la Tf. Es necesario un subenfriamiento. Una vez empieza la solidificación, el calor desprendido de la cristalización calienta la masa hasta la temperatura de fusión Tf. De echo, si extragéramos el calor suficientemente rápido, la solidificación podría continuar a T < Tf. En la transformación del estado líquido al estado sólido se desprende energía; es un proceso exotérmico.


Análisis microscópica del la nucleación y el crecimiento. T > Tf

estado líquido

a) átomos desordenados b) energía cinética Ec elevada

T < Tf los átomos tienen menor Ec,y es posible la formación de clústers ordenados dentro del líquido, pero no significa que empiece la solidificación.

2r

Se pueden dar 2 casos: • rrc no se redisuelven, sinó que pueden crecer por acumulación progresiva de átomos del líquido (núcleo)


Análisis microscópica del la nucleación y el crecimiento.

2r

Cuanto menor es la temperatura, menos energía tienen los átomos del líquido y disuelven con más dificultad los embriones.

Cuando la temperatura desciende el rc es menor ( T↓ rc↓) y es más fácil la formación de núcleos. Por eso es necesario el subenfriamiento. El tiempo transcurrido durante el subenfriamiento es el tiempo de incubación . Así pues, podemos distinguir dos etapas en el proceso de solificación:

a) b)

Nucleación = formación de núcleos estables Crecimiento

Tecnologías, Información

Cultura


Nucleación homogénea y heterogénea Nucleación homogénea: es la que hemos descrito. Los núcleos se forman en el interior del líquido sin la participación de ninguna superficie sólida, radios críticos grandes y T grandes. Material Fe Ni Cu

Tf (ºC)

T (nucleación

1.538 1.453 1.085

homogénea) 420 480 236

Nucleación heterogénea: el radio crítico r c y T son menores si los átomos se pueden agrupar sobre una superficie sólida preexistente (p.ej. las paredes de la lingotera y las impurezas). Podemos ver que, cuando la nucleación es homogénea, el valor de  T puede ser muy grande. Por otra lado, si la nucleación es heterogénea entonces la diferencia de temperatura, T  1 ºC. Esto es lo que pasa normalmente en los metales , por la presencia de impurezas y superficies (el contacto con las paredes de la lingotera).


Proceso de solidificación en un molde Núcleosf (T
Líquido

En contacto con las paredes del molde, el líquido se subenfría rápidamente y nuclean pequeños cristales con orientaciones aleatorias →granos equiaxiales (chilled ).

Granos equiaxiales (chilled)

Líquido

Líquido

A medida que se va disipando el calor hacia el molde, algunos granos crecen y otros no. De este modo los granos crecen granos columnares siguiendo una orientación perpendicular a la pared de la lingotera, ya que así se disipa el calor con más efectividad. da.

Finalmente, si se dan las condiciones adecuadas, puede ser que en el líquido del centro empiece la nucleación homogénea y se formen nuevos granos equiaxiales.

Granos columnares


Proceso de solidificación en un molde Esta evolución explica la estructura fina de los granos de una pieza colada. La cantidad de cada tipo de granos depende de las condiciones de enfriamiento. Granos equiaxiales

Normalmente interesa evitar la formación de granos columnares y por eso se favorece la formación de granos equiaxiales en el seno del líquido. Esto se puede conseguir añadiendo agentes nucleantes (refinadores de grano).

Lingotedeplomo

Hilodecobre


Proceso de solidificación en un molde Defectos en los materiales colados El proceso de solidificación suelen comportar la formación de defectos típicos en las microestructuras: •

•

Segregación: variación de la concentración de soluto (peor resistencia a la corrosión y temperatura de fusión más baja).

X solut



Porosidad y cavidades internas.

Posició

Porosidad en un cordón de soldadura


Solidificación sin nucleación Si enfriamos el líquido muy deprisa, los átomos perderán su energía térmica antes de poderse ordenar según su estructura cristalina. Obtendremos un sólido con la estructura desordenada de un líquido congelado: es un material amorfo (= vidrio). La velocidad de enfriamiento para obtener un vidrio es muy variable según el tipo de material:

Metales: estructura cristalina simple → enfriamiento muy rápido 106 ºC/s → vidrios metálicos.

Cerámicasy polímeros: estructura cristalina compleja → hasta en enfriamientos muy lentos se pueden obtener materiales amorfos (vidrios de SiO2, polímeros amorfos...).


Los vidrios metálicos Los vidrios metálicos son una nueva clase de materiales descubierta en 1960, que desde el primer momento atrajeron una considerable atención científica. La investigación realizada en estos 50 años ha permitido descubrir más de mil composiciones de aleaciones amorfas metálicas, las cuales algunos cientos presentan propiedades interesantes para diversas aplicaciones tecnológicas y se pueden producir en dimensiones que permiten su utilización industrial.


¿Qué es realmente un vidrio? Cuando enfriamos un líquido por debajo de su punto de fusión su viscosidad aumenta progresivamente, si conseguimos evitar la cristalización llegaremos a una temperatura en que la viscosidad alcanza valores superiores a los 1012 Pa·s. En este punto la respuesta del material a una fuerza exterior es tan lenta que puede ser considerado un sólido, sin embargo su estructura interna sigue siendo la de un líquido. Llamamos este material un vidrio, y el punto donde consideramos que el comportamiento pasa de tipo líquido a tipo sólido es la temperatura de transición vítrea. Esta transición se define arbitrariamente como la temperatura por debajo de la cual la viscosidad ŋ> 1012 Pa·s, o equivalentemente, cuando el tiempo característico de respuesta del material para adaptarse a una fuerza externa (el tiempo de relajación τ) es inferior a 100 segundos (τ> 100s).


La transición vítrea La transición vítrea se observa en muchos tipos de sustancias: materiales covalentes: SiO2 B2O3 PbO2 materiales poliméricos y materiales orgánicos En el caso de los metales, la relativa simplicidad de su estructura cristalina, facilita la nucleación cristalina durante el proceso de enfriamiento, imposibilitando que el líquido llegue al punto de vitrificación. No se ha obtenido nunca un metal puro en estado vítreo, sin embargo la aplicación de métodos de enfriamiento rápido permite la obtención de cristales metálicos a partir de aleaciones con determinadas composiciones. Para estas composiciones, el proceso de cristalización es suficientemente complejo y la viscosidad del metal líquido aumenta suficientemente rápido durante el enfriamiento como para obtener un metal vitrificado, es decir, una aleación sólida con la estructura interna de un líquido.


La transición vítrea Desde el punto de vista del procesado, la zona donde la viscosidad está entre los 104 y 108 Pa·s permite la producción de formas y geometrías diversas mediante la deformación del material viscoso. La posibilidad de conseguir deformaciones bajo la acción de fuerzas ligeras, como en procesos de impresión, se consigue en el entorno del 104-105 Pa·s.


Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos La fragilidad de un líquido no corresponde al concepto de material frágil de los materiales cristalinos. La fragilidad de un vidrio metálico es una medida de la velocidad de cambio de la viscosidad en torno a la transición vítrea y por tanto de la rigidez de la estructura de la fase líquida, y no tiene nada que ver con que el material, un vez sólido, tenga una fractura de tipo frágil. La nomenclatura procede de la industria del vidrio, los vidrios fuertes pueden ser soplados con más facilidad que los cristales frágiles, ya que su viscosidad disminuye más lentamente al aumentar la temperatura y presentan una zona de procesado más extensa.


Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos La zona elástica Una propiedad general de los vidrios metálicos, que ha despertado mucho interés de cara a posibles aplicaciones, es la extensión de la zona elástica en comparación a aleaciones cristalinas. El módulo de Young E es ligeramente inferior a aleaciones cristalinas con composiciones similares pero el límite de la zona elástica se produce a esfuerzos y deformaciones significativamente más elevadas. El límite elástico  y de los vidrios metálicos suele ser un 30% superior y la deformación en límite elástico  y pasa de valores típicos del 0.65% a valores del 2%. La justificación física de la extensión de la zona elástica en los cristales metálicos es la falta de defectos cristalinos. Debido a esto, el límite elástico de los cristales metálicos se produce a cargas aplicadas muy superiores y es lo más parecido al límite teórico, es decir el límite determinado por la fuerza de los enlaces metálicos


Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos Los vidrios metálicos con Hierro y cobalto son los que tienen los límites elásticos más altos, entre 5500 i 4000 Mpa. Las propiedades relacionadas con la extensión de la zona elástica es que los BMG tienen una elevada resiliencia , propiedad que caracteriza la capacidad de almacenar y devolver energía elástica. La alta resiliencia y el bajo coeficiente de pérdidas son probablemente las dos propiedades mecánicas más excepcionales de los cristales metálicos en comparación al resto de materiales metálicos, presentando valores con diferencias que pueden llegar a órdenes de magnitud respecto a aleaciones cristalinos con composiciones similares. Esta propiedad es importante en aplicaciones tales como muelles u otros elementos mecánicos que deban recuperarse de las cargas aplicadas sin deformaciones permanentes. E útil para mecanismos que tengan que actuar en un régimen de vibraciones rápidas o como medios transmisores de ondas elásticas.


Las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos Ductilidad en tracción La práticamente nula habilidad de los vidrios metálicos para deformarse en condiciones de tracción, es uno de los principales inconvenientes de estos materiales en aplicaciones mecánicas.

Ductilidad en compresión La ductilidad a compresión vienen determinada por la capacidad de fluir y activar bandas de cizalla.

Curva esuerzo-deformaciónde un ensayo a compresiónde una aleaciónamorfade Cu49Hf 42 Al9. Imagen de SEMde la superfície de fractura dónde se ven las bandas de cizalla.


El grafeno, el material del futuro? Geim y Novoselov (Premios Nobel de Física 2010 Geim y Novoselov, dos físico rusos ganaron el Premio Nobel de Física del año 2010, por demostrar el comportamiento del grafeno, un material del espesor de un solo átomo de carbono (el material más delgado descubierto) con implicaciones en áreas tan diversas que van desde la Física cuántica hasta la electrónica de consumo. Aunque la Unión Internacional de Cris talografía (IUPAC) lo bautizó formalmente en 1994, no fue hasta 2004 que se logró separar por primera vez una capa individual de grafeno del grafito volumétrico. Ocurrió casi simultáneamente en la Universidad de Manchester (Inglaterra), y en el Instituto de Tecnología Microelectrónica de Chernogolovka (Rusia).


El grafeno, el material del futuro? Los átomos de carbono forman dos tipos de sólidos estables con propiedades físicas muy diferentes; el diamante y el grafito. La diferencia es causada por la forma en que los átomos se ordenan a nivel microscópico. •

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En el diamante -uno de los materiales más duros que existen- los átomos de carbono forman una malla tridimensional, entrelazada y compacta. En el grafito, mucho más blando, los átomos se ordenan en estructuras hexagonales similares a las de un panal de abejas. Esas celdas están fuertemente enlazadas por los costados, formando capas bidimensionales (ver figura). Sin embargo, los enlaces entre capas adyacentes son muy débiles, de manera que cada capa se desliza fácilmente respecto a las demás.

Cada una de esas capas de carbono, esté o no integrada al grafito, es una capa de grafeno.

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Grafito, formado por capasde grafenoque interaccionan débilmenteentre si.

El grafeno Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

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Alta conductividad térmica y eléctrica. Alta elasticidad y dureza. Resistencia (200 veces mayor que la del acero). El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo. Soporta la radiación ionizante. Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible. Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones. Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio. Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.



Gracias por vuestra atención.


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