Estructura y cristalizacion de metales. Alumno - Facultad Regional

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ESTRUCTURA Y CRISTALIZACION DE LOS METALES


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ESTRUCTURA Y CRISTALIZACION 
DE LOS METALES
Materiales Metálicos – 2do. Ingeniería Mecánica
Ing. Víctor Gómez
U. T. N
Facultad Regional Tucumán
► METALURGIA FISICA
Es la ciencia que se ocupa de estudiar las características físicas y mecánicas de los 
metales y aleaciones. Esta rama estudia las propiedades de estos, según tres 
direcciones.
Composición química. Tratamiento mecánico. Tratamiento térmico. 
TEORIA DEL ESTADO METALICO
Las partículas de un sólido (iones, moléculas) poseen un movimiento de oscilación 
dentro de espacios definidos, por lo que poseen una cierta energía cinética. Estas 
partículas poseen potentes fuerzas de atracción electrostáticas que dan por resultado 
estructuras perfectamente regulares en relación a su ordenamiento siendo a su vez 
incompresibles.
Existen dos clases de sólidos:
Sólidos cristalinos o verdaderos: En estos las partículas están distribuidas en forma 
ordenada, formando cristales limitados por caras planas. Los sólidos verdaderos son 
los metales y sus aleaciones. 
Sólidos vítreos o amorfos o no verdaderos: (Plásticos, vidrios, resinas, etc.) En 
estos las partículas están distribuidas en forma desordenada, no poseen forma 
geométrica. Su constitución interna presenta una distribución desordenada, sus átomos 
están distribuidos al azar y no tienen o no forman estructuras geométricamente 
definidas. Al romperse, presentan una fractura curva. 
t
T
f
Distribución de los átomos en los cuerpos sólidos
Átomo: Antes de continuar, presentamos una breve reseña sobre los átomos. En el año 
1.874 el ingles WILLIAM CROOKES, experimentó con descargas eléctricas dentro de un 
tubo en el cual se había realizado vacío, descubrió que los llamados rayos catódicos 
podía proyectar la imagen de una pequeña rueda de paleta colocada en el tubo, sobre 
una pared cubierta por un material fluorescente, esto lo convenció de que los rayos eran 
de naturaleza material y que poseían cargas positivas y negativas, por su desviación en 
campo magnético. Luego siguieron numerosos estudios y experimentos como los de J. 
THOMSON en 1.897, ERNEST RUTHERFORD en 1.911, hasta que en 1.917 el científico 
danés NIELS BOHR ideó un modelo dinámico de átomo que es el que se emplea por 
ahora y que para nuestras aplicaciones basta. El núcleo está formado por Protones, de 
carga positiva y Neutrones que no tienen carga eléctrica. Los electrones tienen carga 
negativa y se mantienen cerca del núcleo por atracción electrostática. Como las 
cantidades de electrones y protones son iguales, el átomo es eléctricamente neutro. 
Diagrama esquemático de un Tubo de CROOKES. A es una fuente de baja tensión que 
calienta el cátodo C. B es una fuente de alto voltaje que suministra tensión al ánodo 
revestido de fósforo P. La máscara M está conectada al potencial del cátodo y su imagen 
se proyecta en los fósforos como el área no brillante. 
Historia
J. THOMSON 
1.897
E. 
RUTHERFORD 
1.911
N. BOHR 
1.917
•Este último modelo de átomo basta para 
nuestro fines, sin embargo debemos aclarar 
que muchas de las propiedades de los 
electrones, no pueden ser explicadas por 
este modelo y si por el modelo atómico de 
la mecánica cuántica. En este modelo el 
electrón presenta características tanto de 
onda como de partícula. El electrón ya no 
es considerado como una partícula que se 
mueve en un orbital discreto. Su posición 
pasa a ser considerada como la 
probabilidad de encontrar un electrón en un 
lugar próximo del núcleo
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL
La estructura de un material puede ser estudiada en 4 niveles, Estructura atómica, arreglo de átomos, 
microestructura y macroestructura. Para comprender y controlar la microestructura y la macroestructura de 
los diversos materiales, debemos entender las estructuras atómica y cristalina.
Estructura del átomo: Está compuesto de un núcleo rodeado por electrones. El núcleo contiene neutrones y 
protones de carga positiva. Los electrones, de carga negativa, están sujetos al núcleo por atracción 
electrostática. La Carga eléctrica q que lleva cada electrón y cada protón es de 1,60 x 10⁻19 Coulomb (C). 
Dado que el número de electrones y protones de un átomo es el mismo, en su conjunto el átomo es 
eléctricamente neutro. El Número Atómico de un elemento es igual al número de electrones o de protones 
en cada átomo. Un átomo de hierro que contiene 26 electrones y 26 protones, tiene un número atómico 
de 26. La mayor parte del Peso de un átomo se encuentra en el núcleo, la masa de cada protón y cada 
neutrón es de 1,67 x 10 ⁻24 g, la de cada electrón es de solamente 9,11 x 10⁻28 g.
Valencia: La valencia de un átomo se relaciona con la capacidad del mismos para entrara en combinación 
química con otros elementos. Por ejemplo el agua H-O-H, H. valencia = 1, O. valencia = 2. Hay elementos 
que tiene mas de un valor de valencia.
Estabilidad atómica y electro negatividad: Hay elementos que tienen valencia cero, el elemento es inerte,
como el Argón. La electro negatividad, es la tendencia de un átomo a ganar electrones. El Aluminio tiene 
3 electrones en su orbita externa, los cuales son cedidos con facilidad, los enlaces atómicos y el 
comportamiento químico del Aluminio, quedan determinados por este mecanismo. En el caso del Cloro, 
este es fuertemente electro negativo, acepta electrones con facilidad. Los elementos electro positivos, 
ceden electrones con facilidad. Ejemplo de esto es el Calcio.
Arreglo atómico: El arreglo atómico juega un papel importante en la microestructura y en el comportamiento 
del material sólido. Por ejemplo, el arreglo atómico en el Aluminio, proporciona una buena ductilidad, en el 
Hierro es la causa de una buena resistencia.
La Celda Unitaria, es la subdivisión mas pequeña de la red cristalina que sigue conservando las 
características generales de toda la red. Al apilar las celdas unitarias, se puede construir toda la red. Se 
identifican 14 tipos de redes cristalinas o Redes de BRAVAIS.  Los puntos de la red están localizados en 
las esquinas de las celdas y en algunos casos en el centro y en las caras de las celdas.
2 – 8 - 7
Enlace atómico
Es característico del estado sólido, que todos los sólidos verdaderos exhiban una estructura cristalina 
que significa un arreglo geométrico definido de átomos. Algunos materiales, como el vidrio son 
rígidos a la temperatura ambiente, pero no tienen un arreglo uniforme y constante sino una 
distribución al azar, típica de los líquidos, por eso también se los conoce como líquidos sobre 
enfriados. ¿ Que mantiene juntos a los átomos o moléculas de un sólido?. Hay cuatro tipos de 
enlace posible.
1) Enlace iónico         2) Enlace covalente          3) Enlace metálico            4) Enlace de Van der Waals
1) Enlace iónico: Cloruro de sodio. Sal común de mesa.
2) Enlace covalente: Agua y Amoniaco
3) Enlace metálico: Plata
TABLA PERIODICA
CELDAS, MALLAS Y REDES
Cuando los metales se solidifican a partir de un estado líquido, los átomos se reorganizan en varias 
configuraciones ordenadas, llamadas, cristales. Este arreglo de los átomos en el cristal se conoce 
como estructura cristalina. El grupo mas pequeño de átomos que muestra la estructura de red
característica de un metal, se conoce como celda unitaria.
• Estructura cristalina. Es la forma geométrica de cómo, átomos, moléculas o iones se encuentran 
espacialmente ordenados. Los Átomos o iones son representados como esferas de diámetro fijo.
• Reticulado: Arreglo tridimensional de puntos en el que cada punto tiene los mismos vecinos.
• Celda unitaria: Es el menor grupo de átomos representativo de una determinada estructura 
cristalina.
• Número de Coordinación : El número de átomos que tocan a otro en particular, es decir el numero 
de vecinos mas cercanos, indica que tan estrechamente están empaquetados los átomos.
• Parámetro de Red : Longitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos entre estos lados.
Los arreglos atómicos básicos mas comunes en los metales son:
•Cúbico centrado en el cuerpo (BCC) – Hierro alfa, cromo, molibdeno, tantalio, tungsteno, vanadio.
•Cúbico centrado en las caras (FCC) – Hierro gama, aluminio, cobre, níquel, plomo, plata, oro, 
platino.
•Hexagonal compacto (HCP) – Berilio, cadmio, cobalto, magnesio, titanio, zinc, circonio.
Redes de BRAVAIS: Existen 14 posibles redes cristalinas, de las cuales veremos seis y 
estudiaremos tres.
ESTRUCTURA CUBICA SIMPLE: 
CUBICO DE CUERPO CENTRADO CUBICO DE CARA CENTRADA
EXAGONAL 
COMPACTO
PROPIEDADES DE LAS CELDAS
Números de átomos por celda: Cada celda unitaria tiene asociada un número promedio de 
puntos de red. Por ejemplo, en la celda BCC, cada átomo de los vértices, es compartido por 8 
celdas diferentes. Esto equivale a plantear que solamente 1/8 de cada átomo pertenece a la 
celda, si tenemos 8 átomos en total de vértices, entonces podremos plantear que 1/8 x 8 = 1. 
Si tenemos en cuenta que tenemos un átomo en el centro de la celda, decimos que el Número 
de átomos = 1 + 1 = 2. Para la celda FCC, para los átomos ubicados en los vértices se repite 
el mismo análisis, 1/8 x 8 = 1, para los átomos de las caras, los mismos son compartidos por 
las celdas vecinas a la  celda original, o sea, 6 x ½ = 3. Así, el Número de átomos para FCC = 
1 + 3 = 4 átomos por celda.
Relación entre el Radio atómico y el Parámetro de red: Debido a la geometría de la celda 
unitaria, existe una relación matemática entre el radio de los átomos que la componen y el 
parámetro de red. Para los átomos que forman una estructura BCC los átomos se tocan entre 
sí a lo largo de la diagonal principal del cubo y luego de algunas deducciones geométricas a = 
4r / √3. En la estructura FCC, los átomos se tocan entre sí a lo largo de la diagonal de cada 
una de las caras y la relación entre el parámetro de red y el radio atómico es a = 4r / √2, 
donde r es el radio atómico.  
a = 4r / √3
a
4r
√2.a
a
4r
a
a = 4r / √2
ESTRUCTURA BCC
ESTRUCTURA FCC
Número de coordinación: Es el número de átomos que están en contacto con un átomo en 
particular del material. El número de coordinación puede interpretarse como el número de 
átomos vecinos próximos que tiene cada átomo del material. En la estructura BCC, el átomo 
ubicado en el centro del cubo está en contacto con los 8 átomos de los vértices. El número de 
coordinación para esta estructura es 8. Para la celda simple es 6 y para la FCC y HCP es 12, 
que es el valor máximo.
Factor o Grado de empaquetamiento: Es la fracción del volumen de la celda unitaria que es 
ocupada por los átomos. 
FE = GE = [(Número de átomos por celda) x (Volumen de un átomo)] / (Volumen de la 
celda unitaria)
Imperfecciones en las Redes
Vacancias: Se producen cuando faltan átomos en el ordenamiento cristalográfico. Es el 
defecto puntual mas simple.
Intersticiales: Se producen con átomos de la misma naturaleza o cuando se efectúa una 
aleación. Algunos se localizan u ocupan espacios libres en al red.
Dislocaciones: Se producen cuando existen planos cristalográficos incompletos
VACANCIAS INTERSTICIALES ALEACION INTERSTICIAL
DISLOCACIONES
Estructura cristalina del Hierro. Puntos críticos
ANÁLISIS DE LA CURVA DE FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO PURO.
En el intervalo entre los 1535 °C y 1400 °C, el hierro tiene la red cristalina "cúbica centrada en el cuerpo“ (BCC 
por sus siglas en inglés), con sus distancias interatómicas (parámetros) iguales a 2.93 Å ( Armstrong, 1 Å = 10-8 
cm.), y se denomina hierro delta. A los 1400°C, se realiza la reestructuración de la red cúbica centrada en el 
cuerpo y pasa a ser una red cúbica centrada en las caras (cristalización secundaria), con sus parámetros más 
grandes e iguales a 3.65 Armstrong, llamado hierro gama. En el intervalo entre 1400 y 898 °C, el hierro se 
encuentra en la forma alotrópica γ. A la temperatura de 898 °C, la red cúbica centrada en las caras, Fe gama, se 
transforma en la red cúbica centrada en el cuerpo Fe beta, con el parámetro de la red menor que las otras dos e 
igual a 2.90 Å; esto nos da a entender que el hierro, al igual que todas las sustancias, al enfriarse se contrae. A la 
temperatura de 750ºC, la red del hierro es cúbica centrada en el cuerpo, pero con su parámetro disminuye a 2.88 
Å, denominado hierro alfa. El tramo horizontal en la curva de enfriamiento a 750°C (A2), no está ligada con el 
cambio de estructura de la red (salvo que las distancias interatómicas disminuyen de 2.90 a 2.88 Angstrom), sino 
con el surgimiento de propiedades magnéticas en el hierro posee a temperaturas menores. A temperaturas 
superiores a 750°C, el Fe beta no es magnético
Poliformismo y Alotropía : Es la propiedad que tiene un metal de existir en mas de un tipo de red espacial, si 
esta propiedad es reversible se denomina Alotropía y si es irreversible se lo llama Poliformismo.
Estados alotrópicos del hierro
Para comprender los mecanismos por los cuales se rigen los tratamientos térmicos es necesario conocer 
previamente las transformaciones estructurales que sufre el hierro cuando se cambia su temperatura. Cuando se 
calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta su estado líquido, sufre una serie de transformaciones en 
su estructura cristalina. A las diferentes estructuras que aparecen cuando se produce este calentamiento se las 
denomina estados alotrópicos. En el hierro se pueden distinguir cuatro estados alotrópicos.
Hierro alfa: El hierro alfa se presenta a temperaturas inferiores a los 768ºC. Presenta una cristalización según el 
sistema cúbico centrado de cuerpo. No disuelve el carbono y tiene carácter magnético. A los 768ºC pierde el 
magnetismo. Mientras dura esta transformación la temperatura permanece constante. Las temperaturas a las 
cuales tienen lugar estas transformaciones se denominan puntos críticos y son representados mediante la letra A. 
Cuando se trata de un enfriamiento Ar, y si es un calentamiento Ac. La capacidad que posee el hierro alfa para 
formar soluciones sólidas es muy débil porque los espacios interatómicos disponibles son muy pequeños. La 
máxima cantidad de carbono que pueden disolver es de 0,025 %. Este estado recibe el nombre de ferrita.
Hierro beta: Es muy similar al hierro alfa. Se forma a temperaturas comprendidas entre 768ºC y 900ºC, 
cristalizando en el sistema cúbico centrado de cuerpo. Se diferencia principalmente del hierro alfa en que no es 
magnético. Desde el punto de vista metalográfico y mecánico tiene poco interés.
Hierro gamma: Se forma a temperaturas comprendidas entre los 900 y los 1400ºC. Cristaliza en el sistema 
cúbico centrado de caras (FCC). Tiene gran capacidad para formar soluciones sólidas, ya que dispone de 
espacios interatómicos grandes. Puede disolver hasta un 2% de carbono. Esta solución recibe el nombre de 
austenita.
Hierro delta: Se forma a temperaturas comprendidas entre los 1400 y 1539ºC. Cristaliza en red cúbica centrada 
de cuerpo (BCC). Debido a que aparece a elevadas temperaturas, tiene poca importancia en el estudio de los 
tratamientos térmicos y tampoco tiene aplicación siderúrgica.
•Todas las transformaciones alotrópicas van acompañadas de un cambio de volumen. este hecho se puede 
apreciar con la ayuda de un dilatómetro.
Grafico de enfriamiento y calentamiento del Fe puro
Fe α = 2,86 Å Fe β = 2,88 Å Fe δ = 2,93 Å Fe γ = 3,65 Å
Å = Armstrong               Nm = Nanómetro  μ = Micra          Átomo de Fe = 0,124 Nm
1 Å = 10⁻10 m                1nm = 10⁻9 m                                Átomo de C   = 0,071 Nm
1 nm = 10 Å 1 micra = 10⁻6 m

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