2. Materiales
2.5 Propiedades de Aleaciones
Dr. Willy H. Gerber
Instituto de Fisica
Universidad Austral
Valdivia, Chile
Objetivos: Comprender las distintas fases que presentan las
aleaciones y sus propiedades física.
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Ligazones entre átomos y moléculas
Ligazones primarios
- Iónicos
- Covalentes
- Metálicos
Ligazones secundarios
-Van der Waals
- Puente de Hidrogeno
2
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Ligazones iónicas
Ligazones iónicos
-Entre partículas cargadas
Propiedades típicas
- Duros, quebradizos
- Buenos aislantes
- Transparentes
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Ligazones covalentes
Ligazones covalentes
- Se “comparten” electrones
Propiedades típicas
- Duros, quebradizos
- Buenos aislantes
- Transparentes
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Ligazones metálicas
Ligazones metálicas
- Se “comparten” un “mar” de electrones
Propiedades típicas
- Dúctiles
- Buenos conductores eléctricos
- Buenos conductores térmicos
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Ligazones tipo Van der Waals
Ligazones tipo Van der Waals
- Origen electrostático
- Débil
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Ligazones por puente de Hidrogeno
Ligazones tipo puente de Hidrogeno
- Origen polarización
- Débil
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Energías de Ligazón
Nivel de energías
Ligazones Densidad de energía [GJ/m3] Ejemplos
Covalentes 1000 Diamantes
Iónicos 30-100 Sales y cerámicas
Metálicos 30-150 Metales
Puentes de Hidrogeno 8 Agua
Van der Waals 2 Plásticos
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Estructura
Formación de cristales Formación de estructuras amorfas
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Cristales
Body-Centered Cubic
BCC
Face Centered Cubic
FCC
Hexagonal Close Packed
HPC
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Tipos de 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
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Solidificación
Propiedades mecánicas
Formación de un solido Van a depender de la estructura
granular
Formación de núcleos
Crecimiento de cristales
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Dislocaciones
Otra inhomogeneidad: Dislocaciones Existen planos de dislocación
Los planos se mueven bajo esfuerzo de cizalla
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Fallas en cristales
Faltantes
En espacios intermedios
Substituciones
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Efecto de inserciones en Cobre
Modulo de Elasticidad [psi]
% de inserción
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Deformaciones
Los defectos afectan en forma directa las deformaciones
Elásticas
Plásticas
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Mezclas
Por ello se pueden “crear” materiales con propiedades mecánicas “especiales”
mezclando elementos o introduciendo impurezas
Ejemplo son Ni y Cu …
Mezcla liquida Mezcla solida
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Aleaciones
El problema es que algunos no se dejan mezclar en cualquier proporción,
tienen limite de “solubilidad”, sobre 30% Zn surge una segunda fase:
Solución
solida
Segunda fase
(Aleación)
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Diagrama de Fase
Al existir mas de una fase es útil estudiar el “diagrama de fases”.
Ejemplo simple del agua:
Liquido
Equilibrio entre fases
Presión
Solido Gas
Fases
Temperatura (C)
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Regla de Gibbs
De las ecuaciones que se establecen para estudiar como están en equilibro
distintas fases surge la regla de fases de Gibbs:
Numero de variables de las componentes
Ecuaciones por fase
Variables p, T
Grados de libertad
Numero de componentes
Numero de fases
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Ejemplo
Apliquemos al diagrama del agua
Liquido
A: K=1, P=1 -> F=2 (p,T)
Presión
B: K=1, P=2 -> F=1 p=p(T)
Solido Gas C: K=1, P=3 -> F=0 (punto)
Temperatura (C)
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Ecuación de Clausius Clapeyron
Apliquemos al diagrama del agua
Liquido
Presión
Solido
Gas Variacion de presion [Pa]
Variacion de temperatura [K]
Calor latente o entalpía del
cambio de fase [J]
Temperatura [K]
Temperatura (C) Variacion de volumen [m3]
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Coexistencia liquido solido
Zona de coexistencia o cambio de fase
Limite del liquido
F=1 c=c(T)
Limite del solido Variables T
Temperatura (C)
(p constante)
F=2 (T,c)
K=2 (Cu, Ni)
Concentración de Ni (%)
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Obtencion del Diagrama de Fase
Se enfria desde una temperatura dada la mezcla….
Temperatura [C]
Temperatura [C]
Tiempo
… el cambio de fase se detecta como un cambio en ;a velocidad de enfriamiento.
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Proporciones
Contenido de Cu (%)
Proporciones en la
fase mezcla
Temperatura (C)
Contenido de Ni (%)
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Propiedades Mecánicas
Temperatura [C]
Módulos [psi]
Elongación [%]
Concentración [%]
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Eutéctico
Diagrama de fase con dos zonas mixtas: eutéctico
Temperatura (C)
Liquido
Solido
Au (100%) Si (100%)
Contenido Si (%)
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El problema: metales varios
Distintas estructuras
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Diagramas mas complejos
Diagramas de fases mas complejos
Temperatura (C)
L
Contenido Sn (%)
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Efectos
Aleación %
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Efectos
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Difusión
Los procesos de cambio de fase pueden ser lentos pues en parte ocurren
por difusión:
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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]
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Transporte en el Agua - Difusión
Significado de la constante de Difusión:
Constante de difusión [m2/s]
Tiempo transcurrido [s]
Camino recorrido [m]
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Contacto
Dr. Willy H. Gerber
wgerber@gphysics.net
Instituto de Fisica
Universidad Austral de Chile
Campus Isla Teja
Casilla 567, Valdivia, Chile
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