2. Materiales 2.5 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. Gerber Instituto de Fisica Universidad Austral Valdivia, Chile
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2. Materiales2.5 Propiedades de Aleaciones
Comprender las distintas fases que presentan las aleaciones y sus propiedades física.
Objetivos:
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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
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Ligazones iónicos-Entre partículas cargadas
Propiedades típicas- Duros, quebradizos- Buenos aislantes- Transparentes
Ligazones iónicas
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Ligazones covalentes- Se “comparten” electrones
Propiedades típicas- Duros, quebradizos- Buenos aislantes- Transparentes
Ligazones covalentes
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Ligazones metálicas- Se “comparten” un “mar” de electrones
Propiedades típicas- Dúctiles- Buenos conductores eléctricos- Buenos conductores térmicos
Ligazones metálicas
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Ligazones tipo Van der Waals
- Origen electrostático- Débil
Ligazones tipo Van der Waals
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Ligazones tipo puente de Hidrogeno
- Origen polarización- Débil
Ligazones por puente de Hidrogeno
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Nivel de energías
Ligazones
CovalentesIónicosMetálicos
Puentes de HidrogenoVan der Waals
Densidad de energía [GJ/m3]
100030-10030-150
82
Ejemplos
DiamantesSales y cerámicasMetales
AguaPlásticos
Energías de Ligazón
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Formación de cristales Formación de estructuras amorfas
Estructura
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Body-Centered CubicBCC
Face Centered CubicFCC
Hexagonal Close PackedHPC
Cristales
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Formación de un solido
Formación de núcleos
Crecimiento de cristales
Propiedades mecánicasVan a depender de la estructuragranular
Solidificación
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Otra inhomogeneidad: Dislocaciones Existen planos de dislocación
Los planos se mueven bajo esfuerzo de cizalla
Dislocaciones
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Faltantes
En espacios intermedios
Substituciones
Fallas en cristales
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Efecto de inserciones en Cobre
Mod
ulo
de E
last
icid
ad [
psi]
% de inserción
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Los defectos afectan en forma directa las deformaciones
Elásticas
Plásticas
Deformaciones
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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
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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
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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
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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
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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
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Un gas se rige por la ecuación:
Ecuación del Gas
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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]
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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)
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Tem
pera
tura
[C]
Tiempo
Tem
pera
tura
[C]
Obtencion del Diagrama de Fase
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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
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Mód
ulos
[psi
]
Elon
gaci
ón [%
]Concentración [%]
Tem
pera
tura
[C]
Ni refuerza
CuCu refuerza Ni
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Propiedades Mecánicas
Tem
pera
tura
(C)
Au (100%) Si (100%)Contenido Si (%)
Liquido
Solido
Diagrama de fase con dos zonas mixtas: eutéctico
Eutéctico
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El problema: metales varios
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Distintas estructuras
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Tem
pera
tura
(C)
Contenido Sn (%)
Diagramas de fases mas complejos
Diagramas mas complejos
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L
Aleación %
Efectos
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Efectos
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Los procesos de cambio de fase pueden ser lentos pues en parte ocurren por difusión:
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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