T2: Sistemas Cristalinos, Celdas Unidad y Clasificación de Sólidos

Sistemas Cristalinos

Se conocen 7 sistemas cristalinos:

• Cúbico
• Romboédrico
• Hexagonal
• Ortorrómbico
• Tetragonal
• Monoclínico
• Triclínico

Celdas Unidad en Metales

Las celdas unidad más comunes en los metales son:

• Cúbica centrada en el cuerpo (BCC): Tiene un átomo en cada vértice y uno en el centro de la celda. Su número de coordinación es 8 y su factor de empaquetamiento es de 68%. Ejemplo: Feα, Cr, Mo.
• Cúbica centrada en las caras (FCC): Un átomo en cada vértice y uno en el centro de cada cara. Su número de coordinación es 12 y su factor de empaquetamiento es 74%. Ejemplo: Al, Cu, Ni.
• Hexagonal compacta (HCP): Tiene átomos en los vértices de un hexágono y en el centro de sus caras superior e inferior. Su número de coordinación es 12 y su factor de empaquetamiento es 74%. Ejemplo: Mg, Ti, Co.

Sólidos Cristalinos vs. Amorfos

• Sólido cristalino: Los átomos están ordenados de forma regular y periódica en las tres dimensiones. Presentan puntos de fusión definidos y anisotropía.
• Sólido amorfo: No tienen un orden estructural a largo alcance, solo de corto alcance. No tienen un punto de fusión definido y suelen ser isótropos. Ejemplo: vidrios y la mayoría de los polímeros.

Isomorfismo, Polimorfismo y Alotropía

• Isomorfismo: Cuando dos sustancias tienen distinta composición química pero la misma estructura cristalina. Ejemplo: los olivinos, como la forsterita (Mg₂SiO₄) y la fayalita (Fe₂SiO₄).
• Polimorfismo: Un mismo compuesto puede cristalizar en diferentes sistemas cristalinos según las condiciones de temperatura y presión.
• Alotropía: Similar al polimorfismo, pero aplicado a un solo elemento. Ejemplo: el carbono (grafito y diamante) y el hierro (Feα y Feγ).

Fases Alotrópicas del Hierro

En el hierro puro se presentan las siguientes fases alotrópicas:

• Feδ (BCC) entre 1538°C y 1394°C.
• Feγ (FCC) entre 1394°C y 912°C.
• Feα (BCC) entre 912°C y 768°C.
• Feβ (ferrita amagnética) de 912°C a 768°C.
• Feα (ferrita magnética) por debajo de 768°C.

A medida que baja la temperatura, el hierro cambia de estructura cristalina, lo que afecta sus propiedades mecánicas y su capacidad para formar soluciones sólidas.

El Alótropo Fe-β

El Fe-β no se considera una fase alotrópica distinta porque no presenta un cambio en la estructura cristalina, solo pierde su magnetismo por encima de los 768°C (Temperatura de Curie), manteniendo la estructura BCC del Fe-α.

Contracción Volumétrica del Hierro

El hierro puro sufre una contracción volumétrica al calentar por encima de 912°C debido al cambio de fase de BCC (Fe-α) a FCC (Fe-γ). La estructura FCC tiene un factor de empaquetamiento mayor (74%), lo que reduce el volumen en aproximadamente un 1%.

T3: Metales Amorfos, Solubilidad del Carbono y Defectos Cristalinos

Metales Amorfos

Los metales amorfos se obtienen con enfriamientos muy rápidos, que impiden la formación de estructuras cristalinas ordenadas. Los átomos quedan “congelados” en una disposición desordenada, similar a la de un líquido.

Solubilidad del Carbono en Hierro

La solubilidad del carbono es mayor en Feγ (2%, FCC) que en Feα (0.022%, BCC) debido al tamaño de los intersticios. Los intersticios en la estructura FCC son mayores, permitiendo alojar más átomos de carbono.

Defectos Cristalinos

Los defectos cristalinos mostrados en la figura son:

• Vacancia: Ausencia de un átomo en la red.
• Átomo intersticial: Un átomo extra en un intersticio.
• Átomo sustitucional: Un átomo diferente sustituye a uno original.

Estos defectos afectan las propiedades mecánicas y de difusión del material.

Defecto Intersticial

Un defecto intersticial ocurre cuando un átomo pequeño ocupa un intersticio en la red. Esto aumenta la dureza y resistencia, pero reduce la ductilidad. Ejemplo: carbono en acero.

Defecto Sustitucional

Un defecto sustitucional ocurre cuando un átomo es reemplazado por otro de diferente elemento. Aumenta la resistencia, pero puede reducir la ductilidad. Ejemplo: latón (Cu-Zn).

Vacancia

Una vacancia es la ausencia de un átomo en la red. Facilita la difusión atómica, pero reduce la resistencia mecánica. Es importante en procesos de endurecimiento y difusión.

Defectos en Metales

• Intersticial: Átomos pequeños en intersticios. Ejemplo: carbono en la austenita (Feγ).
• Superficial: Imperfecciones en la superficie del cristal. Ejemplo: superficies libres.

Dislocaciones

Una dislocación es un defecto lineal que facilita la deformación plástica. Se forman durante la solidificación y deformación. Hay tres tipos: de arista, de hélice y mixta.

Tipos de Dislocaciones

• De arista: Inserción de un semiplano extra de átomos.
• De hélice: Desplazamiento en espiral de los átomos.
• Mixta: Combina características de ambas.

Su deslizamiento facilita la deformación plástica.

Límites de Grano

Los límites de grano separan los cristales en un material policristalino. Se forman durante la solidificación. Su tamaño afecta las propiedades: granos pequeños aumentan la resistencia, granos grandes la ductilidad.

Difusión

La difusión es el movimiento de átomos en un material. Es importante en procesos industriales como cementación, dopado de semiconductores y sinterización.

Mecanismos de Difusión

• Difusión por vacantes: Un átomo se mueve intercambiando su posición con una vacante. Ejemplo: Zn en Cu (latón).
• Difusión intersticial: Átomos pequeños se mueven entre intersticios. Ejemplo: C en Fe (cementación).

Difusividad

La difusividad (D) mide la velocidad de difusión. Depende del mecanismo de difusión, estructura cristalina, temperatura, concentración de soluto y tamaño de grano.

Aplicaciones de la Difusión

• Endurecimiento superficial
• Fabricación de semiconductores
• Sinterización
• Soldadura por difusión
• Descarburación
• Corrosión

Difusión Intersticial vs. Vacantes

La difusión intersticial es más rápida que la por vacantes porque los átomos intersticiales son más pequeños y requieren menos energía para moverse.

Mecanizado de Tiα vs. Cu

El Cu (FCC) es más fácil de mecanizar que el Tiα (HCP) debido a sus 12 sistemas de deslizamiento, que facilitan la deformación plástica.

Mecanizado de Feα vs. Cu

El Cu (FCC) es más fácil de mecanizar que el Feα (BCC) debido a sus 12 sistemas de deslizamiento, que facilitan la deformación plástica.

Difusión en Acero Aleado

En un acero con 1% C, 1.6% Cr, 0.4% Mn y 0.03% N, el C y el N se difunden más rápido por difusión intersticial debido a su pequeño tamaño.

T4: Soluciones Sólidas, Nucleación y Solidificación

Soluciones Sólidas Sustitucionales

Para una solución sólida sustitucional con solubilidad total, los elementos deben cumplir las Leyes de Hume-Rothery: tamaño atómico similar, misma estructura cristalina, electronegatividades similares y valencia similar.

Nucleación Homogénea vs. Heterogénea

La nucleación heterogénea requiere menos energía que la homogénea porque aprovecha superficies preexistentes.

Etapas de la Solidificación

Etapas:

1. Nucleación: Formación de núcleos sólidos (homogénea o heterogénea).
2. Crecimiento de cristales: Los núcleos crecen formando granos (columnares o equiaxiales).

Para mayor ductilidad:

• Añadir nucleantes.
• Controlar la velocidad de enfriamiento (rápido para granos finos).
• Evitar segregaciones.

Tipos de Nucleación

1. Homogénea: Espontánea en el líquido, requiere alto subenfriamiento y energía.
2. Heterogénea: Sobre superficies preexistentes, requiere menos energía y subenfriamiento.

Variación de Energía Libre en la Nucleación

Depende de:

1. Energía libre de volumen (ΔG_vol): Liberada al solidificar.
2. Energía libre de superficie (ΔG_sup): Requerida para crear la interfase sólido-líquido.

Radio Crítico en la Nucleación

El radio crítico (r*) es el tamaño mínimo para que un núcleo crezca. Depende de ΔG_vol y ΔG_sup. A mayor subenfriamiento, menor r*.

Nucleantes o Afinadores de Grano

Son partículas que favorecen la nucleación heterogénea, refinando el grano y mejorando las propiedades. Deben tener mayor punto de fusión, alta entropía de fusión y alta mojabilidad.

Solidificación con Nucleación Heterogénea

Para un menor tamaño de grano:

• Mayor subenfriamiento o afinadores de grano.
• Controlar la velocidad de enfriamiento.
• Evitar crecimiento excesivo de cristales.

Velocidad de Nucleación y Crecimiento

• Velocidad de nucleación (Vn): Número de núcleos por unidad de volumen y tiempo.
• Velocidad de crecimiento (Vc): Aumento en el tamaño de los cristales por unidad de tiempo.

Tamaño de Grano y Subenfriamiento

Un subenfriamiento (ΔT) en la zona de alta Vn y baja Vc produce granos pequeños.

Morfología de Granos

• Equiaxiales primarios: Moldes metálicos, enfriamiento rápido.
• Columnares: Moldes de arena, enfriamiento lento.
• Equiaxiales secundarios: Centro de la pieza, enfriamiento uniforme.

T5: Endurecimiento de Metales

Acritud del Cobre

El cobre adquiere acritud al deformarse plásticamente debido a la acumulación de dislocaciones, que dificultan la deformación adicional.

Aumentar Resistencia sin Tratamiento Térmico

1. Endurecimiento por disolución sólida: Añadir aleantes que distorsionen la red. Ejemplo: C en Fe, Ni en Cu.
2. Endurecimiento por deformación plástica: Trabajo en frío. Ejemplo: trefilado de cobre.
3. Endurecimiento por reducción del tamaño de grano: Granos finos aumentan la resistencia. Ejemplo: aceros con grano fino.

Mecanismos de Endurecimiento

1. Disolución sólida
2. Deformación plástica
3. Reducción del tamaño de grano
4. Precipitación de segundas fases

Disoluciones Sólidas y Precipitados en el Endurecimiento

1. Disolución sólida: Los átomos de soluto distorsionan la red. Ejemplo: C en Fe.
2. Precipitación: Partículas duras bloquean dislocaciones. Ejemplo: aleaciones Al-Cu.

Endurecimiento por Deformación Plástica

La deformación plástica genera dislocaciones, aumentando la dureza y resistencia, pero reduciendo la ductilidad (acritud).

Vacantes y Dislocaciones en el Endurecimiento

• Dislocaciones: Permiten la deformación plástica, su acumulación endurece el material.
• Vacantes: Facilitan la difusión, importante en el endurecimiento por precipitación.

Micrografías y Propiedades Mecánicas

Las aleaciones con granos más pequeños (b y d) tendrán mejores propiedades mecánicas según la ecuación de Hall-Petch: σ_y = σ₀ + k/√d.

Endurecimiento por Precipitación

1. Solubilización: Disolver el soluto a alta temperatura.
2. Temple: Enfriamiento rápido para sobresaturar la solución.
3. Maduración: Formación de precipitados finos que bloquean dislocaciones.

Efecto del Al₂O₃ en Acero

El Al₂O₃ actúa como afinador de grano, aumentando la resistencia mecánica y mejorando o manteniendo la ductilidad.

T6: Ensayos Mecánicos

Clasificación de Ensayos Mecánicos

1. Esfuerzo creciente: Tracción, flexión, torsión, compresión, cizalladura.
2. Esfuerzo instantáneo: Charpy, Izod, impacto-tracción, dardo.
3. Esfuerzo cíclico: Fatiga.
4. Esfuerzo constante: Dureza, fluencia (creep).

Ensayo de Tracción

Se aplica una carga axial creciente hasta la rotura. Zonas de la curva tensión-deformación:

1. Elástica: Deformación reversible.
2. Plástica: Deformación permanente.
3. Estricción y rotura: Reducción de sección y rotura.

Selección de Material para Engranaje

El material B es el más adecuado por su alta resistencia, ductilidad y capacidad de absorción de energía.

Ensayos de Impacto

Miden la capacidad de absorber energía ante un impacto. Tipos:

1. Charpy: Probeta con entalla, péndulo.
2. Izod: Probeta vertical, impacto en la parte superior.

Buques Rompehielos y Acero al Carbono

No se usa acero al carbono porque se vuelve frágil a bajas temperaturas. Se usan aceros aleados con níquel.

Acero del Titanic

El acero del Titanic era frágil a bajas temperaturas, lo que pudo contribuir al accidente.

Ensayo de Dureza Brinell vs. Vickers

Brinell: Bola de acero, cargas altas, para metales blandos. Vickers: Penetrador de diamante, cargas variables, para todo tipo de materiales.

Ensayo de Dureza Rockwell

Penetrador de bola o diamante, mide la profundidad de penetración, diferentes escalas (A, B, C, etc.).

Zonas de Rotura por Fatiga

1. Inicio: Grieta o defecto superficial.
2. Propagación lenta: Líneas de playa.
3. Rotura frágil final: Rotura súbita.

Etapas del Ensayo de Termofluencia (Creep)

1. Primaria: Deformación rápida, luego se ralentiza.
2. Secundaria: Deformación constante.
3. Terciaria: Deformación acelerada hasta la rotura.