Unidad 6: Estructura de Metales y Aleaciones de la Universidad Tecnológica Nacional

Unidad 6: Estructura de Metales y Aleaciones

Cátedra: Tecnología de los Materiales

UTN FACULTAD REGIONAL ROSARIO UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL Docentes: Ing. Claudio Giordani Ing. Juan C. RosadoDepartamento Ingeniería Civil Facultad Regional Rosario UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL CÁTEDRA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

Contenido

Materia 3 Estructura cristalina. 4 Deformación y rotura de los metales 9 Rotura del material 11 Examen metalográfico 13 Causas de fallas 14 Falla por fatiga 16 Bibliografía consultada 19 Ing. Giordani / Ing. Rosado UNIDAD 6 - ESTRUUCT. DE METALES y AL .- Pagina 2 de 19Departamento Ingeniería Civil Facultad Regional Rosario UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL CÁTEDRA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

Unidad 6: Estructura de Metales y Aleaciones

Materia

Para poder entender con claridad el problema de la resistencia de los materiales, o sea, el efecto que produce en ellos la acción de las fuerzas externas, es necesario con anterioridad aspectos de la forma y constitución de la materia, como así también las características físico-mecánicas que le competen.

La discontinuidad de la materia cuya teoría fue concebida 420 A.C, la suponía formada por pequeñas partículas (átomos) y espacios vacíos, que no es otra cosa que lo que constituye en la actualidad el fundamento o punto de partida de las más modernas teorías. Si bien entonces se daba a la materia una constitución atómica, en la actualidad se desvirtua esta teoría con la estructura atómica, donde las distintas manifestaciones de la materia son motivadas por distintas formas que puede adoptar el sistema atómico.

La combinación atómica que da origen a los distintos tipos de sustancias puede llevarse a cabo, según variados criterios, entre los que podemos mencionar, el enlace metálico.

La vinculación mediante el enlace metálico es tal vez la que permite justificar propiedades unívocas de los metales como su resistencia mecánica y conductividad eléctrica.

Sistemas Materiales

Sustancias puras Mezclas Un solo componente Dos o mas componentes Simples Compuestas Homogéneas Heterogéneas Un solo tipo de atomo. CI, Fe, O Ca, Na ... Dos o mas tipos de átomos. HO CH, NH Una sola fase Sal-agua Azucar+ agua Alcohol + agua Dos o mas fases: Arena taguo Aceite + agua Ing. Giordani / Ing. Rosado UNIDAD 6 - ESTRUUCT. DE METALES y AL .- Página 3 de 19Departamento Ingeniería Civil Facultad Regional Rosario UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL CÁTEDRA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

La agrupación de átomos de igual o distinta especie, que pueden ser separados por medio físico, constituye las moléculas; si los átomos son de igual especie constituyen un cuerpo simple, de lo contrario formarán un compuesto.

Esta agrupación puede desarrollarse siguiendo un ordenamiento perfectamente definido y se la conoce como estructura cristalina.

Estructura Cristalina

Las partículas de los cuerpos sólidos, salvo excepciones, se ordenan en el espacio de acuerdo a determinados tipos de redes geométricas, también llamadas estructuras cristalinas. Esta ordenación, que da a los sólidos su consistencia y la mayor parte de sus propiedades, constituye el campo de estudio de la cristalografía.

Generalidades de Estructuras Cristalinas

Los sólidos cristalinos tienden a adoptar estructuras internas geométricas basadas en líneas rectas y planos paralelos. Ahora bien, el aspecto externo de un cristal no es siempre completamente regular, pues depende de una serie de condiciones:

• Composición química: el sólido puede ser una sustancia simple o un compuesto, y puede contener impurezas que alteren la estructura cristalina y otras propiedades, como la consistencia o el color.
• Temperatura y presión: ambas variables influyen en la formación de los cristales y su crecimiento. Por lo general, los cristales se forman en condiciones de alta presión y elevadas temperaturas.
• Espacio y tiempo: el crecimiento de un cristal puede verse limitado por ambos, especialmente por el primero, ya que a menudo la falta de espacio es responsable del aspecto imperfecto que ofrecen algunos cristales en su apariencia externa.

La Simetría en Cuerpos Cristalinos

Los cuerpos cristalinos forman redes que se ordenan en torno a una serie de elementos de simetría, cuya cantidad y distribución determina los diferentes sistemas de cristalización:

• Ejes de simetría: son líneas imaginarias que cruzan el interior de la estructura cristalina. Al girar 360º hacen que el motivo geométrico del cristal se repita un número determinado de veces. Los ejes de simetría pueden ser binarios, ternarios, cuaternarios y senarios, según el número de repeticiones que generen. Ing. Giordani / Ing. Rosado UNIDAD 6 - ESTRUUCT. DE METALES y AL .- Página 4 de 19Departamento Ingeniería Civil Facultad Regional Rosario UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL CÁTEDRA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES
• Planos de simetría: son superficies planas que dividen el cristal en dos mitades exactamente iguales.
• Centros de simetría: son puntos imaginarios situados en el interior del cristal. Por ellos pasan los principales ejes y planos de simetría.

Distribución de Ejes y Planos de Simetría

A E C + -p -. .8-1 1 A! B ČI Distribución de los ejes y planos de simetría en el sistema cúbico.

Los átomos y las moléculas que constituyen un cuerpo se encuentran en continuo movimiento por efecto de la energía interna que poseen y la fuerza de atracción que tiende a acercarlos.

Es así que en el estado gaseoso la fuerza de atracción es nula por lo que se separan en el espacio.

En un líquido, las moléculas no han perdido su movilidad, y se encuentran sujetas a la acción de las moléculas vecinas, limitándose con ella la distancia intermolecular, pero no su posición.

Cuando las fuerzas de cohesión son predominantes, se establece el estado sólido, el que a presión y temperatura constante no se verifica ninguna variación de forma y volumen.

En sustancias como ser los metales y sus aleaciones, el pasaje de estado líquido al sólido, por pérdida de calor, se efectúa en forma ordenada y cada uno ocupa posiciones que definen perfectas formas geométricas.

Componentes Elementales de un Cuerpo Sólido

Los componentes elementales de un cuerpo sólido pueden ser de cuatro tipos:

• Átomos: partículas elementales de materia con carga eléctrica neutra. Ing. Giordani / Ing. Rosado UNIDAD 6 - ESTRUUCT. DE METALES y AL .- Pagina 5 de 19Departamento Ingeniería Civil Facultad Regional Rosario UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL CÁTEDRA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES
• Iones: átomos con carga eléctrica negativa (aniones) o positiva (cationes) debido a la transferencia o recepción, respectivamente, de uno o más electrones.
• Grupos iónicos: agrupación de varios iones de los mismos o diferentes elementos químicos.
• Moléculas: agrupación de varios átomos del mismo o de diferentes elementos.

La ordenación geométrica de estos componentes en las tres direcciones del espacio da lugar a la formación de una red cristalina, una trama geométrica basada en la repetición de un cuerpo tridimensional determinado llamado celda unitaria (la porción más simple de la estructura cristalina que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal. Todos los materiales cristalinos adoptan una distribución regular de átomos o iones en el espacio).

Redes Cristalinas y Sistemas Cristalinos

Punto reticular Celda Unitaria Celda Unitaria en 3 dimensiones Existen catorce tipos de redes cristalinas, también llamadas redes de Bravais, que a su vez se agrupan en siete sistemas cristalinos:

• Triclínico.
• Monoclínico: simple y de bases centradas. Presenta un eje binario.
• Rómbico: simple, centrado, de bases centradas, y de caras y bases centradas. Posee tres ejes binarios.
• Romboédrico: posee un eje ternario.
• Hexagonal: presenta un eje cuaternario.
• Tetragonal: simple y centrado. Tiene un eje cuaternario.
• Cúbico: simple, centrado y de caras centradas. Presenta cuatro ejes ternarios. Ing. Giordani / Ing. Rosado UNIDAD 6 - ESTRUUCT. DE METALES y AL .- Pagina 6 de 19Departamento Ingeniería Civil Facultad Regional Rosario UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL CÁTEDRA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

Representación de las Celdas Unitarias

Representación de las Celdas Unitarias. Triclínica Monoclínica simple Monoclínica de bases centradas Rombica simple Rombica de bases centradas Rombica de caras y bases centradas Rombica centrada Romboédrica Hexagonal Tetragonal simple Tetragonal centrada Cubica simple Cúbica de caras centradas Cubica centrada

Estructuras Cristalinas Comunes en Metales

La mayor parte de los metales comunes presentan estructuras cristalinas relativamente simples:

1. Cúbica centrada en las caras (FCC).
2. Cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
3. Hexagonal compacta (HCP). Ing. Giordani / Ing. Rosado UNIDAD 6 - ESTRUUCT. DE METALES y AL .- Pagina 7 de 19Departamento Ingeniería Civil Facultad Regional Rosario UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL CÁTEDRA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

En las estructuras fcc y hcp, 74% del espacio está ocupado por átomos y el resto, 26%, es espacio vacío. En la estructura bcc esta eficiencia o "factor de empaquetamiento" es de 68%, con 32% de espacio vacío. Las estructuras fcc y hcp son más densas o compactas que la bcc. Naturalmente, todo lo expresado en este párrafo es válido únicamente para los metales puros.

Es útil tener ejemplos de las estructuras de algunos metales. En general, los metales más dúctiles son de estructura fcc, el oro, plata, cobre, aluminio, níquel y otros adoptan esta estructura.

Tipos de Celdas Cúbicas y Hexagonales

Celda cúbica simple Celda cúbica centrada en el cuerpo Celda cúbica centrada en las caras C b SCC bcc fcc Celda cúbica simple Celda cúbica centrada en el cuerpo Celda cúbica centrada en las caras C Celda hexagonal compacta

El hierro a baja temperatura y el tungsteno (W) poseen estructura bcc. El zinc y el titanio son ejemplos de metales con estructura hcp.

El hierro puro puede adoptar dos estructuras diferentes, dependiendo de la temperatura a que esté sometido. A temperatura ambiente y hasta una temperatura de 910° C posee estructura bcc, arriba de 910º C y hasta 1394° C adopta estructura fcc, entre 1394° C y 1538° C vuelve a tomar estructura bcc. Ing. Giordani / Ing. Rosado UNIDAD 6 - ESTRUUCT. DE METALES y AL .- Pagina 8 de 19Departamento Ingeniería Civil Facultad Regional Rosario UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL CÁTEDRA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

Polimorfismo del Hierro

Por encima de 1538 ℃, la temperatura de fusión, el hierro pierde su estructura cristalina al pasar al estado líquido. Se dice que el hierro es "polimórfico" o "alotrópico", por poder adoptar diferentes estructuras cristalinas. Otros metales y materiales en general presentan esta propiedad.

Al hierro bcc de baja temperatura se le llama hierro a (alfa) o "ferrita", a temperatura ambiente es magnetico. Al hierro fcc se le llama hierro y (gamma) o "austenita" y al hierro bcc de alta temperatura se le llama hierro 8 (delta). Cada una de estas formas es llamada una fase.

Durante el calentamiento, el hierro a (bcc) experimenta un cambio de fase a la temperatura de 910° C para reordenar sus átomos y pasar a la estructura fcc o fase y. Esta transformación de fase toma un cierto tiempo y durante dicha transformación la temperatura permanece constante.

Durante el enfriamiento ocurre lo contrario, la austenita se transforma a ferrita a temperatura constante. Es importante recordar que esto es válido solo para el hierro puro. En el calentamiento, la transformación ferrita-austenita va acompañada de una contracción, por pasar de una estructura menos densa a una más compacta. En el enfriamiento se experimenta una expansión durante la transformación austenita- ferrita, por ser menos compacta la ferrita que la austenita.

Deformación y Rotura de los Metales

Cuando un material es estirado o acortado, su variación de forma se produce por deformación de cada uno de los cristales y no por desplazamiento entre ellos, lo que significa que la Deformación y Fractura de un metal puede realizarse en un solo cristal y luego tener en cuenta la influencia entre granos próximos.

Modos de Desplazamiento de Grietas

Los tres modos de desplazamiento de las superficies de la grieta con los ejes de referencia y las tensiones respecto a las caras de las estas:

AO22 X2 12 O13 Modo I: Apertura Modo II: Cizallamiento Modo III: Rasgado Fractura Modo I - Modo de apertura (Se produce un esfuerzo tensional perpendicular a la grieta) Ing. Giordani / Ing. Rosado UNIDAD 6 - ESTRUUCT. DE METALES y AL .- Página 9 de 19