Defectos volumetricos en los materiales

¿Qué son los Materiales?

Los materiales son todas las sustancias que componen los objetos que nos rodean y que facilitan nuestras vidas.

Necesidad de Materiales para fabricar objetos

Los materiales son necesarios para la fabricación de productos.

Es necesario conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados.

Clasificación de los Materiales

Metales

Están conformados por enlaces metálicos.

Tienen una estructura cristalina.

una buena conductividad del calor y de la electricidad.

Compuestos

Son compuestos que están constituidos por dos o más materiales que generan propiedades no obtenibles mediante uno solo.

Diseñados para presentar las mejores carácterísticas de cada uno de los materiales involucrados.

Son de muchos tipos pero predominan los fibrosos y los particulados.

Semiconductores

Son importantes en el desarrollo de equipos electrónicos por su avanzada tecnología.

Los chips de silicio han impulsado la microelectrónica y esta a su vez el desarrollo computacional.

Sus propiedades eléctricas son extremadamente sensibles a la presencia de impurezas.

Cerámicos

Son compuestos químicos o soluciones complejas que contienen elementos metálicos y no metálicos

Casi siempre son más estables químicamente que los metales, y poseen enlaces iónicos y covalentes.

Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza.

Cerámicos

Son compuestos químicos o soluciones complejas que contienen elementos metálicos y no metálicos

Casi siempre son más estables químicamente que los metales, y poseen enlaces iónicos y covalentes

Se caracterizan por tener escasa conductividad, tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza.

Polímeros

Son moléculas de cadena larga formadas por muchos monómeros unidos entre si

Están conformados por enlaces covalentes y poseen una estructura amorfa

Se clasifican en: termoplásticos, termoestables y elastómeros

Clasificación Funcional de los Materiales

AEROESPACIAL

BIOMEDICOS

Electrónicos

Magnéticos

FOTONICOS Y Ópticos

INTELIGENTES:

NANOMATERIALES:

ESTRUCTURALES

Celda Unitaria

Estructura cristalina:

Es la forma geométrica como átomos, que se encuentran espacialmente ordenados.

Red cristalina

Arreglo infinito de puntos en el espacio, donde cada punto tiene vecinos idénticos

Cristal

Se define como un conjunto de átomos ordenados según un arreglo periódico en tres dimensiones.

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 la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las carácterísticas generales de toda la red

Parámetro de Red

Longitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos entre estos lados.

Tipos y carácterísticas de la celda unitaria

Tipo P:

Se denomina primitiva y tiene puntos de red en los vértices de la celda.

Tipo I:

Red centrada en el interior. Esta presenta puntos de red en los vértices de la celda y en el centro de la celda.

Tipo F:

Red centrada en todas las caras. Presenta puntos de red en los centros de todas las caras, así como en los vértices.

Tipo C:

Red centrada en la base. Una red tipo C se refiere al caso en el que la simetría traslacional coloca puntos de red en los centros de las caras.

Se identifican 14 tipos de celdas unitarias o Redes de Bravais agrupadas en siete sistemas cristalinos.

DEFECTOS

Los defectos se pueden clasificar de acuerdo con su dimensionalidad en tres tipos:

Puntuales,

Un cristal se encuentra en estado termodinámico en equilibrio si su energía libre, G = H − T S, es mínima. Se encuentra totalmente libre de imperfecciones si: La H se minimiza y la energía de enlaces es maximizada a T = 0 K

Son alteraciones o discontinuidades de la red cristalina provocadas por uno o varios átomos.

Los defectos puntuales proporciona el mecanismo de transporte en estado sólido.

La alteración afecta una regíón donde intervienen varios átomos.

Origen: movimiento de átomos durante el calentamiento o el procesado del material, introducción de impurezas o por aleación.

Tipos: vacancias

presentan todos los materiales cristalinos.

Un sitio que normalmente se encuentra ocupado en el caso del cristal perfecto se encuentra vació, principalmente por efecto de la temperatura, aumenta el desorden (o la entropía) del material.

En los metales se pueden introducir vacancias durante la deformación plástica, por enfriamiento rápido.

Las vacancias son importantes cuando se desean mover los átomos en un material sólido (difusión).  

Numero de vacante

El número de vacantes en equilibrio Nv para una cantidad dada de material, se incrementa con la temperatura de acuerdo a la ecuación.

Donde:

Nv es la cantidad de vacantes por m3 o cm3.

N es la cantidad de átomos por m3 o cm3.

Q es la energía requerida para producir una mol de vacancia (J/átomo)
.

T es la temperatura en K.

K es la constante de Boltzmann de los gases.

K = 1.38 x 10-23 J/átomo°K = 8.62 x 10-5 eV/átomo.K

R = 1.987 cal/mol.K; 8.31 J/mol.K

Defecto Intersticial

Se produce cuando se inserta un átomo en una estructura  cristalina en una posición normalmente desocupada.

Los átomos intersticiales son de mayor tamaño que los sitios intersticiales.

El aumento de sitios intersticiales ocupados produce un aumento de la resistencia de los materiales metálicos.

Defecto Sustitucional

Se introduce un defecto sustitucional cuando un átomo es sustituido con un tipo distinto de átomo.

Un átomo sustitucional ocupa el sitio normal en la red.

Una vez introducidos, la cantidad de defectos no varia con la temperatura.

Defecto Fenkel

Es una imperfección combinada vacancia - intersticial.

Ocurre cuando un ión salta de un punto normal dentro de la red a un sitio intersticial dejando entonces una vacancia.

Defecto Schottky

Es un par de vacancias en un material con enlaces iónicos.

Para mantener la neutralidad, deben perderse de la red tanto un catión como un anión. 

Defectos Lineales (Dislocaciones)

Hay deslizamiento entre planos cristalinos cuando se mueve la dislocación.

Este defecto esta en todos los materiales.

Produce deformación plástica permanente de los sólidos cristalinos.

Se pueden identificar tres clases de dislocaciones:

Borde, arista, cuña o de Taylor:

Se crea por inserción de un semiplano adicional de átomos dentro de la red. 

Hélice, tornillo o de Burger:

Los planos atómicos trazan un camino espiral o helicoidal alrededor de la línea de dislocación.

Dislocaciones mixtas:

Su vector de Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación, pero mantiene una orientación fija en el espacio.

Defectos de Superficie

Son los límites o los planos que separan un material en regiones, cada regíón tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientación.

El límite de grano, que es la superficie que separa los granos individuales, es una zona angosta donde los átomos no tienen la distancia correcta entre sí, existen zonas de compresión y otras de tracción.

Grano, Tamaño de grano

Grano: Cristal pequeño en un material policristalino. Se pueden medir el tamaño de los granos.

Un método es el método ASTM

Donde:

N: es el número de granos por pulgada cuadrada sobre una superficie de material pulida y grabada, con una ampliación de 100X.

n: es el número entero referido al índice ASTM de tamaño de grano

Los índices de tamaño de grano con el número nominal de granos por pulgada cuadrada a 100X y granos por milímetro cuadrado a 1X, se listan en la tabla siguiente.

Un método para controlar las propiedades de un material es controlar el tamaño del grano, ya sea durante la solidificación o durante el tratamiento térmico.

En metales los límites de grano se originan durante la solidificación cuando los cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente juntándose unos con otros.

Al reducir el tamaño de grano, se aumenta la resistencia del material, ya que no permiten el deslizamiento de las dislocaciones.

Un material con un tamaño de grano grande tiene menor resistencia y menor dureza.

Ecuación de Hall Petch

Un método para controlar las propiedades de un material es controlando el tamaño de los granos. Reduciendo el tamaño de estos se incrementa su número y, por tanto, aumenta la cantidad de fronteras de grano.

Cualquier dislocación se moverá solamente una distancia corta antes de encontrar una frontera de grano, incrementando así la resistencia del metal.

La ecuación de Hall Petch relaciona el tamaño de grano con el esfuerzo de cedencia del material.

Donde σ_y es el esfuerzo de cedencia, es decir el esfuerzo bajo el cual el material se deforma de manera permanente; d es el diámetro promedio de los granos y σ_o y K son constantes del metal.

Curvas de Esfuerzo – Deformación

Construcción e Interpretación

Propiedades Mecánicas

Las propiedades mecánicas describen como se comporta un material cuando se le aplican fuerzas externas.

Las más comunes son:

–  resistencia mecánica–  ductilidad–  rigidez del material–  resistencia al impacto–  Fatiga –  desgaste

Esfuerzo o esfuerzo ingenieril

Es la fuerza que actúa sobre el área unitaria en la que se aplica.

Σ = F/Ao              Ao = (π/4)*D2

σ: Esfuerzo o tensión, N/m²      F: Fuerza axial aplicada a la probeta, N  Ao: Sección inicial de la probeta, m²         D: Diámetro de la probeta, m 

Deformación Unitaria o Ingenieril

Una barra cambia de longitud cuando se aplica una carga sobre ella. Se alarga si el esfuerzo es de tensión y es más corta si el esfuerzo es de compresión.

&Épsilon; = δ / L = ΔL / L

Donde &épsilon; (épsilon) es la deformación unitaria, δ (Δ) es la deformación total: (LF – LI ) y L es la longitud original.  Donde l₀ es la distancia original entre marcas calibradas y I es la distancia entre las mismas, después de haberse aplicado la fuerza F.

Ley de Hooke:

S = E*e

P: carga aplicada a la barra    L: longitud barra          E : módulo de elasticidad    δ : deformación total

Compare el esfuerzo y la deformación ingenieriles con el esfuerzo y la deformación reales, para la aleación de aluminio. El diámetro a carga máxima es de 0.497 plg y a la fractura es de 0.398 plg. La carga máxima es 8000 lbf, la carga a la fractura es 7600 lbf, longitud inicial 2 plg, longitud final a la carga máxima es 2.120 plg y la longitud final a la fractura es 2.205 plg.

Solución:

A) la carga máxima o resistencia a la tensión:

Esfuerzo ingenieril = P/Ao = 8000/(3.1416*0.505²/4) = 39940.76 psia

Esfuerzo real = P/Af = 8000/(3.1416*0.497²/4) = 41236.93 psia

Deformación ingenieril = (I – Io)/Io = (2.120 – 2)/2 = 0.06 plg/plg

Deformación real = ln(I/Io) = ln(2.120/2) = 0.0583 plg/plg

B) A la fractura:

Esfuerzo ingenieril = P/Ao = 7600/(3.1416*0.505²/4) = 37943.72 psia

Esfuerzo real = P/Af = 7600/(3.1416*0.398²/4) = 61088.09 psia

Deformación ingenieril = (I – Io)/Io = (2.205 – 2)/2 = 0.1025 plg/plg

Deformación real = ln(Ao/Af) = ln((π*0.505²/4)/(π*0.398²/4)) = 0.4762 plg/plg

El esfuerzo se hace mucho mayor que el esfuerzo ingenieril, sólo después de que se inicia el encuellamiento.

Es muy importante recordar que la ecuación         puede aplicarse directamente si:

 La sección transversal de la barra es constante.

 La fuerza interna P, no varía en dirección axial.

El material es isótropo (tiene las mismas propiedades elásticas en cualquier dirección) y homogéneo.