SOLIDIFICACIN.

2011-1

La importancia de los materiales en la vida moderna es obvia: Maquinarias de todo tipo, barcos, edificios, herramientas, ropa, aparatos de comunicacin, etc., Todo esta hecho con materiales. Se podra decir que el avance tcnico de la humanidad est condicionado a su capacidad para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Esto es as de tal forma que las primeras edades del hombre se llamaron por el material utilizado: Edad de piedra, de bronce, de hierro....

Los materiales utilizados por el hombre en edades prehistricas fueron aquellos que le proporcionaba la naturaleza: Piedras, huesos, madera,... Posiblemente en esos tiempos tambin utilizasen metales nativos (oro, cobre) pero estos ms bien como adornos, puesto que eran blandos para utilizarlos como herramientas o en todo caso no podan manufacturarlas, puesto que aun desconocan la fundicin.

Se cree que en el neoltico, cuando el hombre descubri la cermica, comenzaron a aparecer las primeras herramientas metlicas.

Con el tiempo se empezaron a controlar las fundiciones para elaborar bronces (Cu y Sn) y aparece la Edad del Bronce. Adems del bronce se utilizaran herramientas de otros metales nativos

Histricamente se tiene constancia de que los Hititas utilizaron armas de acero, gracias a las cuales conquistaron a los Sumerios y Caldeos, pueblos mucho mas civilizados, pero aun en la edad del bronce.

Poco a poco los yacimientos de metales en estado puro se fueron agotando y el hombre fue perfeccionando las tcnicas para obtenerlos a partir de minerales que los contengan. El gran desarrollo de la metalurgia se produjo el siglo XIX y se continu en el XX. De tal forma que muchos pensadores opinan que nunca el hombre se encontr con un desarrollo tecnolgico tan rpido y que difcilmente se podra repetir.Paralelamente al desarrollo de los metales, el hombre siempre utilizo otros materiales, pero desde la antigedad hasta los 50 el uso de cermicos, polmeros y compuestos fue decreciendo con relacin a los metales.

Los materiales pueden ser Metales, Polmeros, Cermicos y Compuestos de algunos de los grupos anteriores. En la actualidad aparece otro grupo que son materiales electrnicos. Algunos ejemplos pueden ser: -Metales: Acero, cobre, hierro, aluminio, oro, etc. -Polmeros: PVC, tefln, poliuretano, madera, hueso, etc. -Cermicos: Vidrios, ladrillos, hormign, piedra, pedernal, etc. -Compuestos: Pinturas, Fibras de vidrio reforzadas con polister, ladrillos de barro reforzados con paja. etc.

La estructura interna de un material da cuenta de como es por dentro. Puede ser a escala subatmica (Electrones, protones,..) atmica (enlaces, geometra cristalina,...), microscpica (se observa a travs de un microscopio) y macroscpica, (se observa a simple vista).

Las propiedades de un material son las respuestas de los mismos a estmulos externos: Si a un material para romperlo necesitamos aplicarle una fuerza muy alta, decimos que es resistente. Resistencia mecnica es pues una propiedad del material. Existen seis tipos distintos de propiedades: Mecnicas, elctricas, trmicas, magnticas,

pticas y,qumicas. Dependen de la composicin y su ordenamiento.

El tomo es elctricamente neutro, ordenado y estable.

Los tomos en estado enlazado, se encuentran en condiciones energticas ms estables que cuando estn libres.

Para explicar las propiedades caractersticas de los metales (su alta conductividad elctrica y trmica, ductilidad y maleabilidad, ...) se ha elaborado un modelo de enlace metlico conocido como modelo de la nube o del mar de electrones: Los tomos de los metales tienen pocos electrones en su ltima capa, por lo general 1, 2 3. stos tomos pierden fcilmente esos electrones (electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metlica. Los electrones de valencia desprendidos de los tomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a travs de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.

Condiciones de estado metlico: El estado metlico est condicionado por cuatro normas: 1) Los tomos provienen d elementos electropositivos. 2) Los tomos estn ionizados. 3) Los iones, en estado slido, se disponen ordenadamente segn un modelo geomtrico y una distancia mutua caracterstica. 4) Los electrones, producto de la ionizacin, se mantienen libre dentro de la estructura indicada.

Estructuras cristalinas

Sistema Cristalino Cbico Tetragonal Ortorrmbico Rombodrico Hexagonal Monoclnico Triclnico

Longitudes axiales y ngulos interaxiales 3 ejes iguales en ngulos rectos, a = b = c, a = b = g = 90 3 ejes en ngulos rectos, dos de ellos iguales a = b c, a = b = g = 90 3 ejes distintos en ngulos rectos, a b ? c, a = b = g = 90 3 ejes iguales, inclinados por igual, a = b = c, a = b = g ? 90 2 ejes iguales a 120 y a 90 con el tercero, a = b ? c, a = b = 90, g = 120 3 ejes distintos, dos de ellos no forman 90 a ? b ? c, a = b = 90 ? g 3 ejes distintos con distinta inclinacin, y sin formar ningn ngulo recto, a ? b ? c, 90, abg 90

Retculos espaciales Cbico simple Cbico centrado en el cuerpo Cbico centrado en las caras Tetragonal sencillo Tetragonal centrado en el cuerpo Ortorrmbico simple Ortorrmbico centrado en el cuerpo Ortorrmbico centrado en las bases Ortorrmbico centrado en las caras Rombodrico simple Hexagonal sencillo Monoclnico simple Monoclnico centrado en la base Triclnico simple

Elemento Aluminio Zinc Cobalto Cobre Cromo Hierro Molibdeno Nquel Plata Platino Plomo Titanio Vanadio Wolframio

Estructura ccc HD HD cc ccc cc cc ccc cc ccc ccc cc ccc HD cc cc cc

Distancia interatmica () 2.86 2.66 3.17 3.13 2.55 2.50 2.48 2.58 2.79 2.49 2.88 2.77 3.50 2.89 2.89 2.63 2.74

Relacin Axial 1.57 1.59

T (C)

20 867

20 950

1.60

25 900

Estabilidad en la estructura cristalina: Las estructuras cristalinas que se generan en las uniones metlicas, son sistemas altamente dinmicos pero estables debido al equilibrio de cargas. Esto se debe a que los electrones que liber cada tomo al ionizarse, se mantienen dentro de la estructura; la accin electronegativa de los electrones al interior de la estructura no es tan importante ya que la accin de repulsin que los iones electropositivos ejercen entre s, se ve compensada por la ejercida por los que lo rodean. La accin de los electrones cobra real importancia en la ltima capa inica que los contenga, es all donde la electronegatividad de la nube de electrones ejerce su atraccin sobre los iones y los obliga a mantenerse en su lugar.

Resistencia mecnica: La resistencia mecnica es la oposicin que la estructura puede ejercer respecto a una accin mecnica. Esta oposicin tiene su origen en la densidad inica. De esta relacin se deduce que a mayor complejidad inica, mayor resistencia mecnica. Todos los materiales tienen la condicin de resistencia pero no todos se oponen con igual intensidad al mismo esfuerzo. La resistencia es funcin tambin de la distancia interinica.

Resistencia mecnicaElementos que son origen de las deformaciones: Traccin. Compresin. Flexin. Torsin. Corte.

La deformacin elstica se produce cuando luego de liberado de la accin mecnica, el material vuelve a su forma original. La deformacin plstica es cuando la misma persiste despus de liberar el material de la accin que se le ejerce.

Origen de la plasticidad o fragilidad: La ductilidad (plasticidad) y la fragilidad de los metales se originan en la dureza de los mismos. Cuanto ms duro, ms frgil y cuanto menos duro, ms dctil. A su vez la dureza depende de la resistencia. Cuanto ms resistente sea el material, ms duro ser. La ductilidad es la capacidad de deformacin que tiene un material, la fragilidad es la inversa de la ductilidad. La dureza es la medida de resistencia de una material a la deformacin permanente.

Conductividad trmica: La conductividad trmica se origina al aportar energa calrica al metal; esta es funcin del espacio interatmico y del modelo de la estructura cristalina del metal expuesto. Como consecuencia del aporte trmico, el material se dilata y se ablanda (mayor ductilidad); la dilatacin del material se origina en la vibracin de los iones producidas por el calor. La conduccin trmica se produce por una accin conjunta de los iones, transmitindola de ion a ion y de los electrones libres dentro de la estructura, que al estar en constante movimiento, la trasladan dentro de la estructura. Otra consecuencia de la conductividad trmica es la fusin del metal; es decir el pasaje del estado slido al lquido. Esto se produce cuando el metal alcanza una temperatura especifica y en este punto, los iones se desestructuran.

Deformacin en caliente y en frio: En la deformacin en frio, el material se tensiona y se endurece, por lo que tiene tendencia a la fragilidad. Si la deformacin se hace en caliente, disminuye la tensin y la fragilidad, pero se ve afectada la precisin dimensional, ya que el material se dilata y luego se contrae al enfriarse.

Resistencia elctrica, relacin con la temperatura: La resistencia elctrica, es la capacidad de oposicin que tiene un metal respecto al movimiento de los electrones. La conductividad elctrica es un fenmeno que se produce en todos los metales por aparicin de un polo negativo y uno positivo al aplicar un campo elctrico. Por tener carga negativa, lo electrones se desplazaran hacia el polo positivo, producindose as la corriente elctrica. Este desplazamiento, se ve afectado por el espacio interinico; cuanto mayor sea el espacio, ms fluido ser el desplazamiento y mayor la intensidad de la corriente. La resistencia elctrica est relacionada con la temperatura ya que es inevitable que los electrones se aceleren y produzcan impactos. Estos choques generan friccin y a su vez calor. La temperatura hace que los iones vibren y disminuya el espacio interionico, como consecuencia aumenta la resistencia elctrica. Puede ocurrir que con el aumento de las vibraciones y temperatura, el conductor se funda y se discontine el circuito. Parte de la energa calrica se difunde hacia el medio y se pierde.

Materiales monocristalinos y policristalinos: La mayor parte de los materiales cristalinos estn formados de muchos cristales, puesto que la velocidad de enfriamiento es relativamente rpida y hay muchos grmenes de nucleacin. Se los conoce como policristalino. Sin embargo, los que constan de un solo cristal son conocidos como monocristalinos. Para que esto ocurra, la solidificacin debe ser alrededor de un nico ncleo. Para lograrlo, la temperatura debe ser ligeramente inferior a la de fusin y el calor latente, conducirse a travs del nico cristal. En los monocristalinos, no existen zonas de debilidad interna, por lo cual son ms resistentes que los policristalinos.

Defectos cristalinos: Los defectos cristalinos, son alteraciones de la disposicin ordenada que deben presentar los iones. Estos defectos se deben a la rugosidad e impurezas que contienen los moldes de las fundiciones. Estas imperfecciones afectan las propiedades del material. Las ms comunes son: A. Vacancias: producidas como resultado de perturbaciones locales durante la solidificacin o debido al reordenamiento atmico durante la cristalizacin. Las vacantes pueden migrar si el nivel energtico lo permite.

B. Dislocaciones: provocan una distorsin de la red centrada en torno a una lnea. Se crean durante la solidificacin o durante una deformacin plstica. Pueden ser dislocaciones de arista, helicoidal o mixta. La mayor parte de las dislocaciones son mixtas.

C. Fracturas: Por separacin directa de los planos cristalinos por ruptura de enlaces o por la nucleacin, crecimiento y coalescencia de microhuecos.

D. Estructura mosaico: se produce por deformaciones plsticas y son bloques cristalinos ligeramente desorientados, cuyas fronteras constan de una hilera de dislocaciones.