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2. Materiales2.5 Propiedades de Aleaciones

Comprender las distintas fases que presentan las aleaciones y sus propiedades física.

Objetivos:

www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Dr. Willy H. GerberInstituto de Fisica

Universidad AustralValdivia, Chile

Ligazones entre átomos y moléculas

2

Ligazones primarios

- Iónicos- Covalentes- Metálicos

Ligazones secundarios

-Van der Waals- Puente de Hidrogeno


Ligazones iónicos-Entre partículas cargadas

Propiedades típicas- Duros, quebradizos- Buenos aislantes- Transparentes

Ligazones iónicas


Ligazones covalentes- Se “comparten” electrones

Propiedades típicas- Duros, quebradizos- Buenos aislantes- Transparentes

Ligazones covalentes


Ligazones metálicas- Se “comparten” un “mar” de electrones

Propiedades típicas- Dúctiles- Buenos conductores eléctricos- Buenos conductores térmicos

Ligazones metálicas


Ligazones tipo Van der Waals

- Origen electrostático- Débil

Ligazones tipo Van der Waals


Ligazones tipo puente de Hidrogeno

- Origen polarización- Débil

Ligazones por puente de Hidrogeno


Nivel de energías

Ligazones

CovalentesIónicosMetálicos

Puentes de HidrogenoVan der Waals

Densidad de energía [GJ/m3]

100030-10030-150

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Ejemplos

DiamantesSales y cerámicasMetales

AguaPlásticos

Energías de Ligazón


Formación de cristales Formación de estructuras amorfas

Estructura


Body-Centered CubicBCC

Face Centered CubicFCC

Hexagonal Close PackedHPC

Cristales


•Aluminio — FCC•Cromo — BCC•Cobre — FCC•Fierro (alpha) — FCC•Fierro (gamma) — BCC•Fierro (delta) — BCC•Plomo — FCC•Nickel — FCC•Plata — FCC•Titanio — HCP•Tungsteno — BCC•Zinc — HCP

Tipos de cristales


Formación de un solido

Formación de núcleos

Crecimiento de cristales

Propiedades mecánicasVan a depender de la estructuragranular

Solidificación


Otra inhomogeneidad: Dislocaciones Existen planos de dislocación

Los planos se mueven bajo esfuerzo de cizalla

Dislocaciones


Faltantes

En espacios intermedios

Substituciones

Fallas en cristales


Efecto de inserciones en Cobre

Mod

ulo

de E

last

icid

ad [

psi]

% de inserción


Los defectos afectan en forma directa las deformaciones

Elásticas

Plásticas

Deformaciones


Por ello se pueden “crear” materiales con propiedades mecánicas “especiales”mezclando elementos o introduciendo impurezas

Ejemplo son Ni y Cu …

Mezcla liquida Mezcla solida

Mezclas


El problema es que algunos no se dejan mezclar en cualquier proporción,tienen limite de “solubilidad”, sobre 30% Zn surge una segunda fase:

Soluciónsolida

Segunda fase(Aleación)

Aleaciones


Al existir mas de una fase es útil estudiar el “diagrama de fases”.

Ejemplo simple del agua:

Gas

Liquido

Solido

Pres

ión

Temperatura (C)

Equilibrio entre fases

Fases

Diagrama de Fase


De las ecuaciones que se establecen para estudiar como están en equilibro distintas fases surge la regla de fases de Gibbs:

Grados de libertadNumero de componentesNumero de fases

Regla de Gibbs

Variables p, T

Numero de variables de las componentes

Ecuaciones por fase


Apliquemos al diagrama del agua

Gas

Liquido

Solido

Pres

ión

Temperatura (C)

A: K=1, P=1 -> F=2 (p,T)

B: K=1, P=2 -> F=1 p=p(T)

C: K=1, P=3 -> F=0 (punto)

Ejemplo


Un gas se rige por la ecuación:

Ecuación del Gas


Presion [Pa]Volumen [m3]Numero de moles [moles]Constante del Gas [8.314 J/mol K]Temperatura [K]

Apliquemos al diagrama del agua

Gas

Liquido

Solido

Pres

ión

Temperatura (C)

Ecuación de Clausius Clapeyron

Variacion de presion [Pa]Variacion de temperatura [K]Calor latente o entalpía del cambio de fase [J]Temperatura [K]Variacion de volumen [m3]


Concentración de Ni (%)

Tem

pera

tura

(C)

Limite del liquido

Limite del solido

Zona de coexistencia o cambio de fase

Coexistencia liquido solido

Variables T(p constante)

K=2 (Cu, Ni)

F=2 (T,c)

F=1 c=c(T)


Tem

pera

tura

[C]

Tiempo

Tem

pera

tura

[C]

Obtencion del Diagrama de Fase


Se enfria desde una temperatura dada la mezcla….

… el cambio de fase se detecta como un cambio en ;a velocidad de enfriamiento.

Contenido de Cu (%)

Contenido de Ni (%)

Tem

pera

tura

(C)

Proporciones en la fase mezcla

Proporciones


Mód

ulos

[psi

]

Elon

gaci

ón [%

]Concentración [%]

Tem

pera

tura

[C]

Ni refuerza

CuCu refuerza Ni


Propiedades Mecánicas

Tem

pera

tura

(C)

Au (100%) Si (100%)Contenido Si (%)

Liquido

Solido

Diagrama de fase con dos zonas mixtas: eutéctico

Eutéctico


El problema: metales varios

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Distintas estructuras


Tem

pera

tura

(C)

Contenido Sn (%)

Diagramas de fases mas complejos

Diagramas mas complejos


L

Aleación %

Efectos


Efectos


Los procesos de cambio de fase pueden ser lentos pues en parte ocurren por difusión:

Difusión


Transporte en el Agua

Difusión de sustancias (sin corriente).

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Transporte en el Agua - Difusión

Ley de Fick:

Flujo de partículas [mol/m2s]Constante de difusión [m2/s]Variación de concentración [mol /m3]Distancia entre los puntos en que se mide la concentración [m]


Transporte en el Agua - Difusión

Significado de la constante de Difusión:

Constante de difusión [m2/s]Tiempo transcurrido [s]Camino recorrido [m]


Contacto

Dr. Willy H. [email protected]

Instituto de FisicaUniversidad Austral de ChileCampus Isla TejaCasilla 567, Valdivia, Chile


mailto:[email protected]

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