ciencia materials

EstructuraPropietats

Dissenyar, utilitzar,Fabricar…

Fon. Ciència Materials

TEMA 1: INTRODUCCIÓ

Ciència dels

Materials

Enginyeria

Dels Materials

Estructura (de nivell més baix a nivell més alt):

- Subatòmic: disposició dels electrons en àtoms.

- Atòmic: organització dels àtoms (estructures cristal·lines, amorfa...)

- Microscòpic: organització d’àtoms enllacats entre si.

- Macroscòpic: es pot veure a simple vista.

Propietats (característiques d’un material):

- Mecàniques

- Elèctriques

- Magnètiques

- Tèrmiques

- Òptiques

- Químiques

- 1 -

Enllaç Covalent

Von der WallsPont d’H(Enllaç més dèbil)


1.2 Classificació dels Materials (en funció de composició i tipus

d’enllaç)

Metalls:

- Substancies inorgàniques (un o més elements metàl·lics)

- Estructura cristal·lina

- Enllaç metàl·lic

Ceràmiques:

- Elements metàl·lics i no metàl·lics

- Estructura cristal·lina (no cristal·lina: vidre i vitroceràmica)

- Enllaç iònic

Polímers:

- Llargues cadenes o xarxes de molècules orgàniques (composició

basada en C, H)

- No cristal·lins

- 2 -

Materials

Metalls

Ceràmiques

Polímers

Materials Compostos

Semiconductors

Semimetalls (Si, Ge)


- Enllaç covalent

Materials Compostos:

- Barreja de dos o més materials diferents

- Propietats segons proporcions

Semiconductors:

- Elements semimetàl·lics

- Estructura cristal·lina

- Propietats elèctriques especials: entremig de conductors i aïllants

- Molts sensibles a impureses

TEMA 2: ESTRUCTURA CRISTAL·LINA I NO

CRISTAL·LINA DELS SÒLIDS

o Metall cristal·lí:(cel·la unitària)

Metalls, aliatges, moltes ceràmiques, pocs polímers.

o No Cristal·lí:

Algunes ceràmiques (vidres) i bastants polímers (la majoria)

Hi ha diferents característiques perquè un material sigui cristal·lí:

Depèn de la complexitat de les unitats estructurals, tipus d’enllaç...

Variable: la velocitat de refredament del líquid.

- 3 -


Monocristall: (cristall ideal)

Cel·les unitàries iguals

Material Policristal·lí:

Tenen diferents nuclis de creixement.

Orientacions diferents

Molts nuclis de creixement simultani.

Polimorfisme (materials que tenen dos o més estructures diferents)

Ex:

Carboni:

- Grafit: Exfoliable, lubricant, conductor

- Diamant: Duresa, aïllant

Ferro:

- 4 -

Grans cristal·lins


Isotropia i anisotropia en monocristalls

Isotropia -> Propietats iguals en qualsevol direcció

Anisotropia-> Propietats depèn de la direcció

Els policristalls es comporten isotropicament.

Densitat

Estructura cristal·lina Densitat

2.2 Estructures cristal·lines més comunes

Tipus de material:

Metalls:

- FCC, BCC, HC

Ceràmiques

- Gran varietat (NaCl, CsCl, ZnS, fluorita, perovskita)

- Vidres son no cristal·lins

Polímers

- Cristal·lins o no: estructura complexa

Semiconductors

- Semiconductors elementals: estructura diamant

- Semiconductors no elementals: semblant a ceràmiques senzilles

- 5 -


2.2.1 Metalls

Enllaç metàl·lic (no direccional) ═►elevada densitat

i. Cúbica centrada en les cares (FCC): Cu, Ag, Au, Al, Ni, Pt

ii. Cubica centrada en el cos (BCC): Cr, Fe-α, W, V, alcalins

iii. Hexagonal compacta (HC)

FCC (alta densitat):

Àtoms cel·la = 4

Nº coordinació = 12

BCC:

Àtoms cel·la= 2


HC (alta densitat):

Àtoms cela = 6


2.2.2 Ceràmiques

Normalment son sòlids iònics al menys 2 elements diferents estructures

més complexes

Factors per identificar les estructures cristal·lines de la ceràmica:

a. Carrega ions (formula química, ex: CaF2)

b. Volum relatiu cations i anions (relació de radis rc,ra) nº

coordinació catió.

Ex: NaCl Na+ Cl-

CaF2 Ca2+ F+

Estructures AX

(igual nombre d’anions i cations)

Nº coordinació catió

- 6 -


CsCl 8

NaCl 6

ZnS (blenda) 4

Estructures AmXn Nº coordinació catió

CaF2 (fluorita) 8

Antifluorita 4

TiO2 (rutilo) 6

Estructures AmBnXp

CaTiO3 (perovskita)

Nº Coordinació catió

< 0.155 2

0.155 – 0.225 3

0.225 – 0.414 4

0.414 – 0.732 6

0.732 – 1 8

2.2.3. Semiconductors

i. Elementals (Si, Ge, Sn gris): estructura semblant a la del diamant

ii. No elementals (2 components químics)(GaAs, CdS): estructura blenda

(ZnS)

PROBLEMES 3, 11, 13, 14, 16, 18

- 7 -


2.3 Característiques estructurals dels polímers

Polímer

Substancies d’elevat pes molecular

Unió de molts monòmers (102 – 106) reacció polimerització

macromolècules (cadenes llargues i flexibles, orgàniques) ...A-A-A-A...

Ex: Polietilè (PE), a partir de l’etilè C2H4

Etilè (monòmer) Polietilè

Estructura química

- “esquelet” d’àtoms de C

- Enllaços intramoleculars covalents i intermoleculars vdW (o pont

d’hidrogen)

- Unitat Constitucional Repetitiva (UCR)

Ex:

PE (UCR)

- 8 -

H H | |C − C | |H H

n

H H | |C − C | |H X

n

H H | |C = C | |H H

H H H H H | | | | |…C − C − C − C − C …

| | | | | H H H H H


X ≡ H Polietilè (PE) X≡ Poliestirè (PS)

X≡ CH3 Polipropilè (PP)

X≡ Cl PVC

Tefló (Politretrafluorilè)

Copolímer:

- Alternant.....A-B-A-B-A-B....

- A l’atzar o estadístic...A-B-B-A-A-A-B-A...

- En blocs...A-A-A-A-B-B-B-B...

- D’injert

B-B-B-B.....

|....A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A......

|

- 9 -

F F | |C − C | |F F

n

Homopolímer (un sol tipus de monòmer) ...A-A-A-A...

Copolímer (més d’un tipus de monòmer)


B-B-B-B...

Forma

Es poden doblar, enrotllar, plegar...

Estructura

- Lineal (PE, PVC, niló, HDPE) (a)

- Ramificada (b)

- Entrecreuada (c)

- Reticular (d)

Polímer semicristal·lí

- 10 -


Tipus Polímers

o Termoplàstics

- S’estoven en ser escalfats (fonen) conformació

- Cadenes lineals o ramificades

- VdW entre cadenes (o pont d’H)

Ex: PE, PVC, PS...

o Termostables

- Calor implica la degradació

- Cadenes entrecreuades

- Enllaç covalent entre cadenes

Ex: Melamina, resines epòxid...

o Elastòmers

- 11 -

Polímers

Termoplàstics

Termoestables

Elastòmers

Plàstics


- Gran deformació elàstica

- Alguns enllaços covalents entre cadenes

Ex: cautxú natural, silicones, poliisoprè...

Pes Molecular (PM)

Molt gran: Alguns >106 g/mol

Les molècules tenen diferent longitud dins d’un mateix polímer, per tant

el pes molecular no es pot calcular.

- Pes molecular mig

- Grau de polimerització (nombre mig de monòmers que forma una

cadena)

Es vàlid per homopolímers.

En copolímers la m es el promig ponderat dels diferents polímers.

Ex:

- 12 -

ii MxM

Pes molecular

Fracció de molècules

X3

X2

X1

Ma Mb Mc Md

M1 M2 M3

Xi fracció de molècules

Mi pes molecular mig de d’interval

332211 MxMxMxM

m

Mn

m pes monòmer (o de VCR)

M pes molecular mig


70% m1

30% m2

Problemes 20, 23

2.4. Materials Compostos (o “composites”)

Combinació de diferents materials per obtenir millors propietats (els materials

son distingibles)

En general hi ha 2 fases:

- Fase matriu: fase continua (matriu)

- Fase dispersa (“reforç” en general, per millorar propietats mecàniques)

Les propietats dels materials compostos està en funció de les propietats dels

materials, les fases, la proporció i de la geometria de la fase dispersa.

Classificació: (en funció del tipus de reforç)

- 13 -

Matriu

Reforç


a) Orientació a l’atzar, isotròpica o preferent

Ex: formigó

b) 1- fibres continues reforç unidireccional o bidireccional

2- fibres discontinues orientades a l’atzar

Ex: fibra de vidre

c) Son reforçats amb fibres : laminars o panells de sandvitx

Exemple:

Fibra de vidre: Plàstic (ductilitat, inèrcia química) reforçat amb fibra de

vidre (resistència mecànica i a la calor).

A més, alta resistència especifica (resistència/pes)

Plàstic reforçat amb fibra de carboni (millor resistència especifica que la

fibra de vidre)

Formigó = ciment + aigua i àrids (grava, pedres, sorra)

- 14 -

MaterialsCompostos

Reforçats amb partícules

Discontinues

Continues b) Reforçats amb fibres

c) Materials compostos multicapa

MaterialsCompostos

De matriu metàl·licaMillora de propietats mecàniques i tèrmiques (amb reducció de pes)

De matriu ceràmicaReducció de la fragilitat de les ceràmiques

De matriu plàstica“plàstics reforçats”, millors propietats mecàniquesEn “blends” matriu i reforç són plàstics


TEMA 3: IMPERFECCIONS I FENÒMENS DE DIFUSIÓ

3.1. Desviació de l’estructura cristal·lina idea

Fins ara, l’estructura cristal·lina era perfecta. Però:

Sempre hi ha defectes o imperfeccions (a més d’impureses químiques)

Afecten a moltes propietats

Però no sempre negativament: ↑ resistència mecànica metalls o la

conductivitat dels semiconductors

Classificació en funció de la dimensió:

3.1.1. Defectes Puntuals (posicions atòmiques)

Vacants

- En solidificació i per vibracions

- 15 -

Defectes puntuals

Defectes lineals Dislocacions

Defectes superficials

Defectes de volum

VacantsDefectes autointersticialImpureses (dissolucions solides)

De “falca”

Helicoidal

Mixta

Superficie externaLímit de graLímit de maclaAltres


- Augmenten amb la T (temperatura)

- Podem calcular el nombre (ρreal) (important per la difusió pel

“mecanisme de vacants”)

nº àtoms real

Àtoms teòrics – àtoms reals = Vacants

Defectes autointersticial

- Poc probable per grandària de posicions intersticials

- 16 -

vacants

TK

E

poscicion

vacants b

vacant

Cen

n

Constant del material

Energia

Temperatura (K)

Constant Boltzmann


En cristalls iònics imperfeccions de Schottky (vacants) i Frenkel

(autointersticial)

Impureses (aliatges metàl·lics i dissolucions solides)

- Normalment, utilitzem aliatges per millorar propietats (plata)

- Formació d’aliatges dissolucions solides

Substitucionals: regles de Hume-Rothery (metalls molt

semblants entre si) Ex: Cu-Ni

Intersticials: Solut molt mes petit (C, N, O) Ex: acer

Regles Hume-Rothery (aliatges substitucionals)

1. Volum semblant

2. Mateixa estructura cristal·lina per separat

3. Electronegativitat similar

- 17 -

Defecte de Frenkel

Defecte de Schottky

substitucional intersticial

Defecte autointersticial


4. València similar

Problemes 1,4,7

3.1.2. Defectes lineals: Dislocacions (afecten en una línea)

Durant la solidificació o per deformació del cristall

De “falca” (o aresta)

Hi ha un tros de pla “extra”. Provoca tensions

Helicoïdal

En aplicar un esforç de cisella.

Mixta

Afecten les propietats mecàniques dels metalls:

Desplaçament de dislocacions proporciona ductilitat (deformació sense

trencar)

- 18 -

Esforç de compressió

Esforç de tracció

Línea dislocació


3.1.3. Defectes Superficials

Separen regions amb diferents estructures cristal·lines o orientació

cristal·logràfica.

Límits de gra

Si el gra es petit llavors hi ha més grans cristal·lins, per tant més límits de

gra que això implica que el material tingui més resistència mecànica.

Límit de macla (cas particular del límit de gra)

3.1.4. Defectes de Volum

Son porositats i esquerdes.

Apareixen en etapes de fabricació.

- 19 -

Límit de gra Límits de gra

Límit de macla


3.2. Fenòmens de difusió

3.2.1. Consideracions principals

Moviment d’àtoms dins dels sòlids (interdifusió o autodifusió)

- Interdifusió (Cu-Ni)

- Autodifusió (es una substancia pura)

Flux de difusió (J)

(at/m2s)

En estat estacionari, primera llei de Fick

(m2/s * at*m-3/m)

D≡ coeficient de difusió (difusitivitat)

∆x≡ Gradient de concentració

3.2.2. Mecanismes de difusió

Per la migració d’àtoms cal:

i. Existència d’un lloc buit (vacants)

ii. Àtom amb prou energia (vibració)

3.2.3. Factors que afecten la difusió

i. Substancia que es difon

ii. Estructura cristal·lina del dissolvent

iii. Temperatura

- 20 -

Mecanismes

Per vacants (a)

Difusió intersticial (b)

M≡ nº atomsA≡ areat≡ temps


D≡ Coeficient de difusió

Q≡ Energia d’activació

R≡ Constant dels gasos

T≡ Temperatura

Do≡ Factor de freqüència (o constat de difusió)

3.2.4. Aplicacions

Fusió (soldadura) de metalls

Tractament tèrmic d’homogeneïtzació d’aliatges

Carburació dels acers

- Enduriment superfície acer (engranatges, eixos...)

- Difusió en estat no estacionar (segona llei de Fick)

Solució:

- 21 -

Gas carbonitzat(↑ quantitat C)T=900º (aprox.)

Acer

Concentració en C

x (profunditat des de la superficie)


Problemes 10, 12, 13

TEMA 4: PROPIETATS MECÀNIQUES

4.1. Assaigs al laboratori: relació esforç-deformacio

Comportament mecànic: relació força aplicada-resposta

Propietats: resistència, duresa i ductilitat...

Importància (metalls)

Assaigs al laboratori (proveta)

Tenir en compte: natura de la força, durada i condicions

Assaigs de tracció

Es representa tensió nominal vs deformació nominal

Tensió (MPa)

MPa=106Pa

Deformació (adimensional)

També hi ha constricció lateral: coeficient de Poisson

Assaigs de compressió

Assaigs de cisalla o de torsió

- 22 -

cx≡ [c] a distancia x

cs≡ [c] superfície

co≡ [c] inicial acer

erf≡ funció matemàtica

x≡ distancia

D≡ coeficient de difusió

t≡ temps


4.2. Deformació elàstica i deformació plàstica

4.2.1. Deformació elàstica. Mòdul d’elasticitat

Tensió: deformació directament proporcional

No es permanent

En metalls, màxima deformació elàstica <0.5% (ε=0,005%)

Llei de Hooke:

E≡ Mòdul elàstic, Mòdul de Young, Mòdul d’elasticitat = rigidesa,

resistència a deformació elàstica

Metalls: 4.5*104MPa (Mg); 40.7*104MPa (W)

Ceràmiques>Metalls>Polímers

A escala atòmica, mesura de la força dels enllaços (monocristall pot ser

anisòtrops; policristalls i materials amorfs són isòtrops)

4.2.2. Deformació plàstica (fluència)

Tensió no proporcional a la deformació

Deformació no recuperable

Importància (disseny, conformació)

A nivell atòmic, trencament i formació de nous enllaços (en materials

cristal·lins, desplaçament de dislocacions, normalment en plans i

direccions de màxima densitat atòmica)

Punt de fluència i límit elàstic (o límit elàstic a una ε=0.002%)

Límit elàstic= resistència a la deformació

35MPa (Al de baixa resistència)-1400MPa (acers de alta resistència)

Resistència a la tracció (màxim de la corba)

50MPa(Al)- 3000MPa(acers de alta resistència)

Ductilitat≡ Deformació plàstica que pot ser suportada

Allargament relatiu percentual

Percentatge de reducció d’àrea

ll, Al mesurades un cop trencada la proveta.

- 23 -


4.6. Propietats mecàniques i termomecàniques dels polímers

Comportament esforç-deformació: 3 tipus

- Fràgil: A (metacrilat)

- Plàstic: B (PVC)

- Totalment elàstic: (elastòmers) C (cautxú)

Característiques mecàniques molt sensibles a la temperatura.

Al incrementar la temperatura:

Baixa el mòdul elàstic; baixa la resistència a la tracció; augmenta la

ductilitat.

Resiliència i tenacitat

Resiliència: capacitat per absorbir energia elàstica

Mòdul de resiliència: energia/unitat de volum

Tenacitat: capacitat de absorbir energia abans de la fractura

Corbes tensió-deformacio reals

Recuperació elàstica en la deformació plàstica

Diagrames amb dos punts de fluència

4.2.3. Duresa

Resistència a deformació plàstica localitzada

Abans: escala de Mohs

Actualment: duresa de Rockwell o escala Brinell

Molts metalls: duresa i resistència a tracció son proporcionals

més senzill que assaig de tracció control de qualitat

Problemes 4,6, 7,12

4.3. Tècniques de reforç

Deformació plàstica involucra el desplaçament de dislocacions (en plans

cristal·logràfics i direccions determinades)

Es pot augmentar la resistència mecànica d’un metall reduint la mobilitat

de les dislocacions

1. Enduriment per reducció de la grandària del gra

- Límits de gra actuen com a barrera

- 24 -


grans + petits+límits de grametall + dur i resistent

2. Enduriment per dissolució solida

- Formar dissolucions solides substitucionals o intersticials

deformació de la xarxa en els àtoms veïns

majoria de metalls purs son – resistents que els seus aliatges

3. Enduriment per deformació (“treball en fred” o “acritud”)

- Material deformat té un límit elàstic mes gran que l’original

(noves deformacions)

- Inconvenients:

Increment de límits elàstic cada cop menor

Material és menys dúctil (menys marge de seguretat)

4.4. Fractura i Fatiga (F constant)

Fractura

- En resposta a F estàtica a T<<T1

- Dues etapes: formació i propagació d’una esquerda

- Dos tipus:

Fractura dúctil:

Molta deformació plàstica al voltant de l’esquerda

Té lloc lentament

Esquerda establecal anar augmentant la F

Fractura fràgil:

Poca deformació plàstica

L’esquerda avança rapida i espontàniament

Esquerda inestable

Metallsdúctils

Ceràmiquesfràgil

Polímersambdues

Fatiga

- Tensions dinàmiques

- Pot donar-se a σ<resistència a la tracció o límit elàstic

- 90% de trencaments metalls (també ceràmiques i polímers)

i. Formació d’una petita esquerda

- 25 -


ii. Propagació gradual

iii. Trencament ràpid quan s’arriba a una dimensió critica

Problemes 9,10

TEMA 5: PROPIETATS ELÈCTRIQUES DELS

MATERIALS

5.1. Introducció

Propietats elèctriques = resposta a l’acció d’un E (camp elèctric)

Importància

Conducció elèctrica = moviment de “portadors de càrrega”

Definició ρ(resistivitat) i σ(conductivitat)

Sòlids mostren interval molt ample de conductivitatsclassificar els

materials

Materials σ(Ωm-1) Ex

Conductors =107 Cu,Au,Ag,Al

Aïllants =10-10-1020 PE, PS, maillon, vidre

Semiconductors =10-6-104 Si, Ge

5.2. Teoria de Bandes

Quatre tipus d’estructura de bandes(3)

Nomes e- amb E>Eg participa en conducció (e- lliures)

En metalls l’energia del E és prou per excitar e-

En aïllants i semiconductors cal energia tèrmica per “saltar” el baud gap

- 26 -

e-

E


5.3. Factors que afecten la conductivitat metàl·lica

Metalls tenen molts e- lliures, però també hi ha “forces de fricció”

(defectes de xarxa) dispersió dels e-

resistència

En molts metalls conductivitat α concentració d’e- lliures (n) i mobilitat (μc)

Metalls

nconcentració d’e- lliures

|e|1.602·10-19

μcmobilitat

La resistivitat augmenta amb:

- Temperatura (+ vibracions tèrmiques i irregularitats

αT coeficient tèrmic de resistivitat (ºC-1)

T(ºC)

- Impureses

b coeficient resistivitat per defectes de xarxa

Cfracció d’impureses (tant per 1 atòmic)

- Grau de deformació plàstica (+ dislocacions)

Problemes 1,3,4,10,12

5.4. Semiconductors

Conductivitat entremig, sensibles a impureses

- Semiconductivitat intrinseca (semiconductor pur)

- Semiconductivitat extrínseca (aliatge, afegint impureses)

5.4.1. Semiconductors intrínsecs

Estructura de bandes amb Eg<2eV

Semiconductors elementals: Si, Ge (estructura diamant)

Semiconductors no elementals: GaAs, InSb, CdS, ZnTe

- 27 -


Silici:

Si:[Ne]3s23p2, 4e- valència en enllaços covalents (cord. Tetraèdric)

A T=0ºK no hi ha portadors de càrrega lliures

A T>0ºK algun e- “salta” a banda de conducció deixant un “forat”

En camp elèctric, e- i forats es mouen.

Hi ha dos transportadors de carrega (e- (n) i forats (p))

Com n=p

Efecte de la temperatura

La conductivitat ↑ al ↑T

5.4.2. Semiconductors extrínsecs

Semiconductor intrínsec + impureses e- o forats en excés

Com a referència el silici

Afegim P,As o Sb (columna següent de la taula periòdica) 1e- extra,

pot passar a banda de conducció (impuresa donadora, e- en estats

donadors)

n>>p

n e- extra

Semiconductor extrínsec tipus n

Afegim Al, B o Ga (columna anterior de la taula periòdica) tenim un

forat mòbil(un nou espai buit) (acceptor, estat acceptor)

p>>n

- 28 -


Semiconductor extrínsec tipus p

- Procés d’aliatge:dopatge

5.5. Conductivitat en ceràmiques, polímers i materials

compostos

La majoria de ceràmiques i polímers son aïllants a T ambient

Estructura de bandes amb Eg>2eV

Darrerament, polímers conductors (dopatges especials)

Materials compostos: no hi ha valor σ característic

Problemes 5,8,9,11

TEMA 6: PROPIETATS MAGNÈTIQUES

6.1. Conceptes bàsics

Propietats magnètiques

Interacció: camp magnetic-estructura material

resposta material

capacitat produir camps magnètics

Origen: àtoms amb dipols magnètics

Interès

Materials propietats magnètiquesenginyeria

Generadors i transformadors, radio, TV, telèfon, ordenador...

Exemples

Fe,Co,magnetita (Fe3O2)

Solament algunes amb propietats importants

Magnituds característiques

Camps son produïts per la corrent elèctrica

Hintensitat camp magnètic(A/m)

Bdensitat de flux magnètic (T)

- 29 -


μ0=4π10-7

Si afegim ferro:

Mmagnetització (A/m)

M≡moment dipolar magnètic/unitat volum

Altres magnituds

Permeabilitat magnèticaμ=B/H

Permeabilitat relativa μr= μ/ μ0

Susceptibilitat magnèticaχm=M/H

Origen propietats magnètiques macroscòpiques (càlcul de M)

e- me=±μB μB≡magneton de Bohr

↓

Àtoms matom=Σmesol capes incompletes Ex: mFe=4 μB

↓

Sòlid msolid=Σmatoms

En funció del comportament magnètic

6.2. Comportament magnètic

Dèbil (fenomen no cooperatiu, els àtoms no actuen conjuntament):

- Diamagnetisme

- Paramagnetisme

Forts (fenomen cooperatiu, els àtoms actuen conjuntament):

- Ferromagnetisme

- Antiferromagnetisme

- Ferrimagnetisme

Diamagnetisme

Material matomic=0 (Zn, Cd, Hg, Cu, Ag...)

H indueix un petit dipol en l’àtom

- 30 -


Dipols s’orienten en sentit oposat a H

M(petita) <0

Paramagnetisme

Material matomic≠0 sense interacció mútua

Camp alinea moments dipolars en la direcció H

M>0

fenòmens dèbils i no permanents (materials no magnètics)

6.3. Comportament magnètic cooperatiu

Ferromagnetisme

Fe, Co, Ni poden tenir M permanent elevada

Els dipols s’alineen amb camp gran intensificació de H

M elevadaB≈μ0M

Aplicació:

- intensificació camps magnètics

- imants permanents

Magnetització de saturació (Ms= màxima M possible)

Gràfica B vs H cicle histeresis (no es lineal)

Antiferromagnetisme

MnO, Cr alineament antiparal·lels (M=0)

Ferrimagnetisme

Ceràmiques alineament antiparal·lel ions diferents M=0

Propietats macroscòpiques≈ferromagnetisme, diferent origen

Aplicació intensificació camps magnètics

Problemes 1, 3, 4, 6

6.4. Influencia de la temperatura

↑T↑vibració tèrmica àtoms desalineament moments atòmic en ferro i

ferrimagnètics ↓M

↑T↓M

si T= temperatura de Curie (Tc) M=0

- 31 -


(si T>Tc paramagnètics)

nº reduït de ferromagnètics a T ambient

Fe (Tc=770ºC) Co (Tc= 1075ºC) Ni (Tc=365ºC)

6.5. Cicle d’histeresis magnètica

Ferro i ferrimagnetisme en estat natural a T< Tc i H=0M=0

Per l’existència de dominis magnètics

6.6. Materials magnètics durs i tous

Ferro i ferrimagnetisme es classifiquen segons el cicle d’histeresis

Br*Hc≈duresa magnètica d’un material

Material tou (aliatge Fe-3%Si, Fe-Ni, ferrites):

↓Br↓Hc fàcilment magnetitza i desmagnetitza

Intensificació de H en aplicacions elèctriques

Material dur (aliatge Al-Ni-Co, Fe-Co-Cr):

↑Br↑Hc difícilment magnetitza i desmagnetitza

Moviment parets de Bloch difícil

imants permanents potents

Efecte de la temperatura

↑T↓Br↓Hc

6.7. Superconductors

Característiques elèctriques i magnètiques (molt especials) potencial

tecnològic:

- Resistència elèctrica nul·la

26 metalls, centenars d’aliatges i alguns òxids ceràmics

- Repulsió de camps magnètics (efecte Meissner)

Fenomen de levitació magnètica

- 32 -


Quin es el problema?

Tc molt baixa, 20ºK en metalls He(l) refrigerant

Aplicacions:

Actuals:

- Generadors elèctrics (bobines)

- Imans superconductors

- Producció imatges (ressonància magnètica)

S’està investigant:

- Transmissió elèctrica: connectors alta velocitat, transmissió senyals

en PC (miniatització)

- Imans per acceleradors de partícules

- Trens alta velocitat que levita

Problemes 7, 14

TEMA 9: CORROSIÓ DELS MATERIALS

9.1. Introducció

Corrosió:

Degradació deguda a l’entorn

Sobre tots metalls

Elevat cost econòmic

Pot causar problemes greus

Alteració de propietats

Classificació

Química: oxidació (reacció amb O2 atmosfèric)

Electroquímica (piles electroquímiques) he d’estar en presencia d’H2O,

dissolució o humitat

- 33 -

Importancia


9.2 Atac atmosfèric: Oxidació

Metalls i aliatges exposats a l’aire

capes superficials d’òxid (oxidació) M+O2MaOb

Potser protectora o no

Formació capa d’òxid protectorPassivació

p.e: alumini anoditzat, acer inoxidable

Hi ha altres gasos atmosfèrics: nitrogen, sofre.

9.3. Atac electroquímic

Dissolució metall en mitjà aquos per formació piles electroquímiques

Reacció oxidació-reducció amb ànode, càtode i solució aquosa

9.3.1. Pila concentració aquosa

Quan un metall que està en contacte amb una dissolució la qual té els ions

metàl·lics corresponents. Si la concentració dels ions es diferent es produeix la

pila.

Semireaccions:

Ànode (oxidació): Fe(s)Fe2+(aq)+2e-

Càtode (reducció): Fe2+(aq)+2e-Fe2+

9.3.2. Piles galvàniques

Fe0(s)Fe2-(aq)+2e-

Cu2+(aq)+2e-Cu0(s)

Reacció global:

Fe(s)|Fe2+(aq)||Cu2+(aq)|Cu(s)

No tots els metalls s’oxiden amb la mateixa facilitat

- 34 -

Química: oxidació

Electroquímica

Altres

Piles de concentració iònica

Piles galvàniques

Aireació diferencialCorrosió


9.3.3. Aireació diferencial (reducció aquosa)

O2+2H2O+4e-4OH

Esquerda, sota partícules de brutícia o “herrumbre” dels aliatges de ferro

ambients marins molt corrosius

9.4. Mètodes per prevenir la corrosió

1. Selecció adequada dels materials

2. Recobriments protectors

Revestiments orgànics (polímers)

Revestiments ceràmics: esmalts

Revestiments metàl·lics, per electrodeposició

Ex: galvanitzat; recobrir el ferro amb zenc (acer galvanitzat)

Capa d’estany en acer de llaunes “hojalata”

3. Aplicar un voltatge extern que s’oposi a la reacció electroquímica

4. Canviar condicions entorn

Disminuir la temperatura (↓ velocitat de corrosió)

Eliminar l’oxigen de les dissolucions

Reduir ions corrosius en les dissolucions

Afegir un inhibidor

5. Protecció catòdica amb ànodes de sacrifici

Zn té grau d’oxidació major al Fe o Cu

- 35 -

Planxes

Capa de pintures

ciencia materials

Documents

enlla ms dbil

fenmens de

assaigs al

lmit elstic

deformaci

coordinaci

alta densitat

la tracci