¿Cuántos sistemas cristalinos se conocen? Citar al menos tres de ellos

Las celdillas se organizan en siete sistemas cristalinos. Algunos de los más comunes son el sistema cúbico, el hexagonal y el tetragonal. A su vez, como los átomos pueden estar localizados en los vértices, en cualquiera de las caras o en el centro de la celdilla unidad, se pueden identificar 14 tipos de celdillas unidad (Redes de Bravais).

¿Cuáles son los tipos de celda unidad más comunes en los metales? Comente sus principales características

• Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC): tiene un átomo en cada vértice y otro en su centro. Posee un número de coordinación de 8 y un factor de empaquetamiento del 68%. Hay 2 átomos por celdilla (Z= 2). Esta estructura la presentan metales como el Cr, V, Mo, aleaciones, etc.
• Estructura cúbica centrada en las caras (FCC): tiene un átomo en cada vértice y en el centro de cada cara. Posee un número de coordinación de 12 y un factor de empaquetamiento del 74% (máximo empaquetamiento). Hay 4 átomos por celdilla (Z= 4). Esta estructura la presentan metales como el aluminio, cobre, plomo, etc. (a altas temperaturas).
• Estructura hexagonal compacta (HCP): es un prisma hexagonal que tiene un átomo en el centro de las caras superior e inferior, uno en cada vértice de los planos basales y tres átomos no compartidos en un plano intermedio entre estos dos planos formando un triángulo equilátero. Posee un número de coordinación de 12 y un factor de empaquetamiento del 74% (máximo empaquetamiento). Hay 6 átomos por celdilla (Z=6). Esta estructura la presentan metales como el cobalto y el circonio. En metales HCP, la relación ideal, según el modelo de esferas rígidas, es c/a=1,633.

Indique y comente las diferencias entre un sólido cristalino y uno amorfo

Un sólido cristalino presenta un ordenamiento atómico de largo alcance, donde los átomos o moléculas siguen un patrón regular en las tres dimensiones, lo que resulta en anisotropía y puntos de fusión definidos. En cambio, un sólido amorfo presenta un ordenamiento de corto alcance, sin un patrón repetido, lo que resulta en isotropía y la ausencia de puntos de fusión definidos.

Defina isomorfismo, polimorfismo y alotropía. Indique ejemplos de materiales que presenten estas características

El isomorfismo ocurre cuando dos sustancias con distinta composición química y propiedades fisicoquímicas tienen la misma forma cristalina, ángulos interfaciales y relaciones axiales muy semejantes, como los feldespatos o los olivinos. El polimorfismo o alotropía es la capacidad de una sustancia de cristalizar en diferentes sistemas cristalinos en función de la presión y temperatura. Si se da en compuestos formados por un solo elemento, se llama alotropía. El diamante y el grafeno son alótropos del carbono, mientras que el hierro alfa (Fe-α) y el hierro gamma (Fe-γ) son alótropos del hierro.

¿Qué celdilla cúbica presenta mayor factor de empaquetamiento? Justifique su respuesta

La celdilla cúbica que presenta el mayor factor de empaquetamiento que se puede alcanzar de acuerdo al modelo de esferas rígidas es la estructura FCC, con un valor de 0.74 o 74% (el 74% del volumen de la celdilla está ocupado y el 26% vacío). Esto se debe a que los átomos están dispuestos de forma que ocupan la mayor fracción del espacio disponible, maximizando el contacto entre ellos.

Represente en un diagrama temperatura vs. tiempo todas las fases alotrópicas que presenta el hierro y comente las principales características de cada una de ellas

En el hierro, las fases alotrópicas que aparecen en un diagrama de Temperatura vs. Tiempo son:

• Por encima de 1538°C: tenemos Fe líquido. A esta temperatura (temperatura de fusión), pierde las propiedades estructurales y se comporta como un líquido sin forma definida.
• De 1538 a 1394°C: tenemos Fe-δ (BCC). Es no magnética, menos dúctil y estable pero más frágil que la austenita; posee menor solubilidad de carbono que la austenita, pero mayor que la ferrita y baja resistencia mecánica.
• De 1394 a 912°C: tenemos Fe-γ, austenita (FCC). Es no magnética, más dúctil, maleable, con huecos de la celdilla unidad de mayor tamaño, mayor solubilidad y capaz de soportar mayor trabajo mecánico que el Fe-α.
• Por debajo de 912°C: tenemos Fe-α, ferrita (BCC). Se puede dividir en (Fe-α) y (Fe-β), aunque son la misma fase con una diferencia en sus propiedades magnéticas.
• De 912 a 768°C (temperatura de Curie): tenemos Fe-β (ferrita amagnética). Posee las mismas propiedades que Fe-α salvo que no es magnética.
• De 768ºC hasta temperatura ambiente: tenemos Fe-α (ferrita magnética). Es dúctil, blanda, con huecos de la celdilla unidad pequeños y solubilidad y resistencia mecánica baja.

En los tramos horizontales la temperatura permanece constante; estas son las temperaturas a las que se producen los cambios de estructura. Estos cambios alotrópicos son reversibles. En estos espacios de tiempo, el material, en lugar de liberar calor al medio, emplea esta energía para la reorganización de sus átomos en la nueva estructura. Estos cambios conllevan diferencias en las estructuras, en la solubilidad, en la capacidad de deformación, en el número de átomos por celdilla unidad y sus tamaños, así como variaciones de la densidad teórica volumétrica. En la transformación de (Fe-α) a (Fe-γ) se produce una importante contracción, lo que provoca que aparezcan grietas superficiales.

¿Por qué normalmente no se habla del alótropo Fe-β?

Desde 912 a 768°C presenta la forma de Fe-β. El Fe-β es no magnético, mientras que el Fe-α es magnético por debajo de los 768°C. La razón por la que no se suele hablar del alótropo Fe-β es porque esta fase solo difiere de Fe-α en su comportamiento magnético, ya que ambos tienen la misma estructura cristalina (BCC) y propiedades similares.

Justifique por qué el hierro puro sufre una contracción volumétrica cuando se calienta por encima de 912ºC. ¿A qué es debido?

La contracción volumétrica del hierro puro al calentarse por encima de los 912°C (entorno al 1%) se debe al cambio de estructura de Fe-α (BCC) a Fe-γ (FCC), ya que la estructura FCC tiene una mayor densidad que la BCC. Esto provoca una disminución en el volumen al reorganizarse los átomos en una estructura más compacta. Para recuperar el volumen hasta justo antes de la transformación, habrá que calentarlo a temperaturas considerablemente mayores. Esto provoca que aparezcan grietas superficiales.

Justifique por qué se pueden obtener metales amorfos cuando la velocidad de enfriamiento de estos es muy rápida

Cuando los átomos de un material se enfrían muy rápido, se impide la migración ordenada de los átomos en las tres dimensiones del espacio, distorsionando la red cristalina, lo que da lugar a una estructura amorfa.

¿Por qué la solubilidad máxima del carbono intersticial en el Fe-γ es del 2% y en el Fe-α es del 0,022%?

La solubilidad del C en el hierro depende de la estructura cristalina de cada fase. El Fe-γ tiene una estructura FCC que presenta huecos intersticiales más grandes, permitiendo una mayor solubilidad de C, alcanzando hasta un 2% a 1130 °C. En cambio, el Fe-α tiene una estructura BCC que presenta huecos intersticiales más pequeños, limitando la solubilidad de C a un máximo de 0,022% a 723 °C.

Indique y comente las características principales de los diferentes tipos de defectos de las redes cristalinas en función de su geometría y forma

Ponga ejemplos de cada uno de ellos:

• Defectos puntuales: es el defecto más simple y se da por la ausencia de un átomo o la inserción de otros. Se deben a la colocación incorrecta de los átomos en la red durante la cristalización o a fluctuaciones de energía a altas temperaturas. Se clasifican en vacantes, defectos sustitucionales, intersticiales y de Schottky y Frenkel. Ejemplo: una abolladura pequeña en la chapa de un coche, donde el daño está localizado en un solo punto.
• Defectos lineales: son dislocaciones; se pueden desplazar en el cristal con esfuerzos bajos y desplazar planos cristalinos. Pueden ser de arista, de hélice o mixtas. Introducen tensión en la red favoreciendo el endurecimiento y la deformación plástica. Ejemplo: una raya debido a la fricción de un objeto contra una superficie (como un arañazo en una pantalla).
• Defectos superficiales: imperfecciones que afectan únicamente la capa externa o las interfaces de un material. Afectan a la dureza y reactividad química. Incluyen los bordes de grano y las superficies libres.

¿Qué es un defecto intersticial? ¿Qué influencia tiene este tipo de defecto sobre las propiedades mecánicas de un material?

Un defecto intersticial ocurre cuando un átomo idéntico a los de la propia red cristalina se coloca en una posición intersticial o, lo que es más común, cuando en estos huecos se inserta un átomo adicional, por lo general de menor tamaño. Este tipo de defecto endurece el material y aumenta su resistencia mecánica al dificultar el movimiento de dislocaciones. Sin embargo, una alta concentración puede hacer que el material sea más frágil. Un ejemplo es la incorporación de carbono en hierro para formar aceros endurecidos.

¿Qué es un defecto sustitucional? ¿Qué influencia tiene este tipo de defecto sobre las propiedades mecánicas de un material?

Un defecto sustitucional ocurre cuando se sustituye un átomo normal de la red por otro. Los átomos que se incorporan se denominan elementos aleantes. Tienen una gran influencia en las propiedades mecánicas, físicas, químicas y eléctricas, como el aumento de la resistencia del material por la dificultad de movimiento de las dislocaciones.

¿Qué es una vacante? ¿Qué influencia tiene este tipo de defecto sobre las propiedades mecánicas de un material?

Una vacante es la ausencia de un átomo en una posición normal de la red cristalina. Pueden originarse durante la solidificación debido a la vibración térmica. El número de vacantes crece al aumentar la temperatura. Provocan distorsiones en la red, creando zonas de tracción y compresión que pueden favorecer la propagación de grietas.

En la estructura cristalina de los metales, ¿qué se considera como defecto intersticial? ¿Y qué se podría definir como un defecto superficial?

Defecto intersticial: (ver pregunta 20). Defecto superficial: (ver pregunta 17).

¿Qué es una dislocación? ¿Cómo la definiría? ¿En qué condiciones se forman? ¿De qué manera afectan a las propiedades de un material?

Son defectos lineales (ver pregunta 17).

Describa los tipos de dislocaciones que existen. ¿De qué forma se expresa su deslizamiento? ¿Están siempre presentes los distintos tipos? ¿Qué facilitan?

Su deslizamiento se expresa mediante el vector de Burgers (b), que describe la magnitud y dirección de la distorsión. En la mayoría de materiales reales, las dislocaciones son de naturaleza mixta. Facilitan el deslizamiento plástico en los metales, permitiendo la deformación sin fractura inmediata.

• Dislocación de arista: se forma por la inserción de un semiplano extra de átomos. Genera un campo de tensiones compresivo ┴ (+) o de tracción T (-). Se mueven en la dirección del vector de Burgers.
• Dislocación de hélice: se forma aplicando esfuerzos cortantes. El vector de Burgers es paralelo a la línea de dislocación.
• Dislocación mixta: combinación de ambas. El vector de Burgers no es ni paralelo ni perpendicular a la línea de dislocación.

¿Qué son los límites de grano? ¿Cómo se crean? ¿Cómo se determina su tamaño y qué factores condicionan dicho tamaño? ¿Cómo afectan a las propiedades de un material?

Los límites de grano son las regiones de transición entre diferentes orientaciones cristalinas en un material policristalino. Se crean durante la solidificación cuando los cristales en crecimiento se encuentran. Un método para clasificar su tamaño es la norma ASTM E112, donde el número de tamaño de grano G se define por N = 2^(G−1). Su tamaño depende de la velocidad de enfriamiento. Son zonas de desorden que dificultan la deformación plástica y favorecen la nucleación.

¿En qué consiste la difusión? ¿Cuál es su importancia industrial?

La difusión es el movimiento de átomos, iones o moléculas dentro de un material para eliminar diferencias de concentración y alcanzar una composición homogénea. Es crucial en procesos como el endurecimiento de aceros, el dopado de semiconductores y la soldadura por difusión.

Explique los mecanismos de difusión que encontramos en las aleaciones metálicas y ponga un ejemplo de cada uno de ellos

• Mecanismo por vacantes: un átomo intercambia su posición con una vacante próxima. Requiere energía térmica para superar la energía de activación. Ejemplo: difusión de cobre (Cu) en níquel (Ni).
• Mecanismo intersticial: átomos pequeños se desplazan entre los huecos de la red. Ejemplo: difusión de C o N en hierro (Fe).

¿Qué es la difusividad? Indique e indique los factores de los que depende dicho parámetro

La difusividad mide la velocidad de difusión atómica. El coeficiente de difusión (D) depende de:

• Tipo de mecanismo: el intersticial es más rápido que el de vacantes.
• Estructura cristalina: redes menos compactas permiten mayor rapidez.
• Defectos cristalinos: actúan como caminos preferentes.
• Temperatura: a mayor temperatura, mayor movilidad atómica.
• Concentración: influye en la velocidad de flujo.

Cite y describa de forma general, las aplicaciones de la difusión en los materiales utilizados en ingeniería

• Endurecimiento superficial: carburación, nitruración o boruración.
• Circuitos integrados: dopado con impurezas.
• Sulfurización: mejora del mecanizado.
• Descarburación: pérdida de carbono en atmósferas gaseosas.
• Sinterización: unión de partículas a alta temperatura.
• Soldadura por difusión: unión mediante presión y calor.

Justifique por qué la difusión intersticial ocurre con mayor facilidad que la difusión por vacantes

Los átomos intersticiales son más pequeños y requieren menos energía de activación para moverse a través de los huecos de la red que los átomos que utilizan el mecanismo de vacantes (ver pregunta 28).

Sabiendo que el Ti-α presenta estructura HCP y el Cu presenta estructura FCC, indique qué material sería más fácil de mecanizar

El Cu (FCC), ya que su estructura tiene más sistemas de deslizamiento y mayor ductilidad, requiriendo menor esfuerzo para deformarse que el Ti-α (HCP).

Sabiendo que el Fe-α presenta estructura BCC y el Cu presenta estructura FCC, indique qué material sería más fácil de mecanizar

El Cu (FCC) es más fácil de mecanizar por poseer sistemas de deslizamiento más compactos y mayor ductilidad en comparación con el Fe-α (BCC).

En un acero con C, Cr, Mn y N, indique qué átomos se mueven más rápido y por qué

Los átomos más rápidos son el N y el C debido a que siguen un mecanismo intersticial (son átomos pequeños) y su difusividad es mayor al requerir menos energía para desplazarse.

Indique qué características deben tener los elementos para obtener una solución sólida sustitucional con solubilidad total

Deben cumplir las reglas de Hume-Rothery:

1. Factor tamaño: radios atómicos con diferencia menor al 15%.
2. Factor valencia: valencias similares.
3. Factor electronegatividad: valores parecidos.
4. Estructura cristalina: deben tener la misma estructura.

Indique y justifique cuál de los mecanismos de nucleación requiere menor energía

• Nucleación homogénea: formación espontánea en el líquido; requiere mayor energía.
• Nucleación heterogénea: ocurre sobre superficies sólidas ya existentes.

En conclusión, la nucleación heterogénea requiere menor energía debido a la existencia de una superficie previa que facilita la estabilidad del núcleo.

Describa las etapas de solidificación. ¿Cómo podemos conseguir un material más dúctil?

Las etapas son nucleación y crecimiento de cristales. Para obtener un material más dúctil, debemos reducir el tamaño de grano aumentando la tasa de nucleación y el subenfriamiento, ya que un grano fino mejora la ductilidad y resistencia.

La formación de núcleos implica una variación de energía libre. ¿De qué depende esta variación?

Depende de la energía libre volumétrica (ΔGvol), la energía libre superficial (ΔGsup) y el radio crítico (r*), que es el tamaño mínimo para que un núcleo crezca.

¿Qué son los nucleantes o afinadores de grano?

Son impurezas añadidas para obtener una estructura más homogénea. Deben tener una temperatura de fusión mayor que el metal base y buena mojabilidad.

Defina velocidad de nucleación y velocidad de crecimiento

La velocidad de nucleación es el número de núcleos formados por unidad de tiempo y volumen. La velocidad de crecimiento es el incremento del tamaño de los cristales por unidad de tiempo.

Morfología de los granos en función del tipo de molde

En un molde metálico frío se forman granos columnares. En moldes de arena o muy calientes se obtienen granos equiaxiales gruesos.

Justifique por qué al deformar plásticamente el cobre, adquiere acritud

Se debe al aumento en la densidad de dislocaciones, lo que dificulta su movimiento a través del «bosque de dislocaciones». Este fenómeno es el endurecimiento por deformación.

¿Por qué son de interés los mecanismos de endurecimiento? Describa los tipos

Permiten mejorar la resistencia sin cambiar la composición química:

• Disolución sólida: distorsión de la red por solutos.
• Reducción de tamaño de grano: los límites actúan como barreras.
• Precipitación: formación de partículas de segunda fase.
• Deformación plástica: aumento de dislocaciones por trabajo en frío.

Ecuación de Hall-Petch y propiedades mecánicas

Según la ecuación de Hall-Petch, a menor tamaño de grano, mayor es el límite elástico. Por tanto, la muestra con granos pequeños tendrá mejores propiedades mecánicas.

Adición de Al2O3 en acero

La adición de Al₂O₃ actúa como nucleante, refinando el grano. Esto aumenta la resistencia mecánica según Hall-Petch y puede modificar la ductilidad, aunque un grano excesivamente fino podría aumentar la fragilidad a bajas temperaturas.