¡Descarga Estructura de Materiales: Niveles Estructurales, Microestructura y Empaquetamiento Atómico y más Apuntes en PDF de Ciencia de materiales solo en Docsity!
6. Descripció de l’estructura dels materials
Apartats: ─ Nivells estructurals ─ Microestructura ─ Empaquetament atòmic ─ Estructures cristal·lines ─ Al·lotropia i polimorfisme ─ Empaquetament atòmic i densitat ─ Defectes de l’estructura dels materials
Objectius: Introduir els diferents nivells estructurals. Definir el concepte d’ estructura cristal·lina. Definir el gra cristal·lí. Diferenciar entre monocristal·lí i policristal·lí. Descriure les tres estructures cristal·lines principals dels metalls. Concepte d’empaquetament atòmic. Descriure els diferents tipus de defectes en l’estructura dels materials.
Recordem un dels temes d’aquesta assignatura:
- L’estructura és l’organització interna dels components que conformen el material.
- Els materials es comporten (propietats) d’una manera determinada perquè per dins (estructura) són com són. És a dir que l’estructura determina les propietats. Aquesta relació presenta un gran interès, ja que podem modificar l’estructura de moltes maneres: a) amb la composició química b) amb tractaments tèrmics c) amb deformació plàstica d) en general, amb qualsevol operació de processament
Per tant, podríem dir que per a una composició determinada:
modificació de les propietats.
processament o tractament
modificació de l'estructura
Actualment som capaços de veure com són els materials “per dins” i per tant és possible descriure’n acuradament l’estructura. A grans trets això és el que farem en aquest tema. En els temes següents ens ocuparem més aviat de com es pot obtenir una determinada estructura (diagrames de fases, solidificació, difusió) i clourem la secció amb un tema molt important en què detallarem algunes relacions concretes entre l’estructura i les propietats.
Nivells estructurals
La descripció de l’estructura d’un material se sol fer per nivells definits per la grandària dels detalls que contenen: a) Macroestructura: s’aprecia a simple vista. Exemple: formigó armat. La macroestructura és descrita, en aquest cas, per les dimensions de la grava, disposició i quantitat de barres d’acer... La majoria dels materials no tenen macroestructura.
(fotografia d’un formigó)
b) Microestructura: s’aprecia amb un microscopi (òptic o electrònic). Si tallem un tros de barra d’acer i el polim, podrem veure que està format per una mena de grans, delimitats per les fronteres del gra.
(Micrografia d’un aliatge Cu-Be)
c) Empaquetament atòmic: s’aprecia amb microscopi electrònic. Per tant, dins de cada gra, els àtoms es troben ordenats a tot el seu volum. Es diu que és un petit cristall. (Micrografia de HRTEM d’un cristall de Si 3 N 4 ) Així doncs, podem definir el gra com a aquella part del material on els àtons tenen la mateixa ordenació.
Microestructura
D’acord amb la seva microestructura, un material pot ser: a) Policristal·lí: format per molts grans (la immensa majoria). b) Monocristal·lí: format per un únic gra (pedres precioses).
Per la seva banda, un material policristal·lí pot ser: a) Monofàsic: una sola fase. Tots els grans tenen la mateixa composició química i el mateix empaquetament atòmic. b) Polifàsic: hi ha grans de diferent composició química o empaquetament atòmic, és a dir, hi ha més d’una fase.
Una fase és definida per la seva composició química i el seu empaquetament atòmic uniformes. Els aspectes de la microestructura que tenen una influència sobre les propietats són, entre altres: — la mida dels grans — la quantitat de cada fase
Estructura Relació entre el radi atòmic R i el paràmetre de malla a
Factor d’empaquetament
Àtoms per cel·la Nombre de coordinació
CC (BCC)
3
4 R
a =
CCC (FCC) (^) a = 2 R 2 0, 4 2
HC (HCP) 0,
A les ceràmiques i polímers, les estructures cristal·lines són molt més variades i no les descriurem.
Al·lotropia i polimorfisme
Es diu que una substància presenta al·lotropia^7 o polimorfisme quan pot cristal·litzar en diferents estructures cristal·lines. Exemples:
C: grafit i diamant (metaestable) (atenció: el diamant és inestable).
(^7) Al·lotropia fa referència als canvis d’estructura cristal·lina en elements, mentre que polimorfisme
s’aplica tant a elements com a compostos.
HC: hexagonal compacte (Cd, Co, Ti-α, Zn)
CCC: cúbic centrat a les cares (Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag, Fe-γ)
SiO (^2) quars tridimita cristobalita L
867 1.470 1.710ºC
Fe
CC CCC CC
α γ δ L
912 1.394 1.539ºC
Empaquetament atòmic i densitat
Com que coneixem la massa dels àtoms, a partir del seu empaquetament podem calcular la densitat teòrica dels materials.
V
m N V
m (^) a ⋅ a
Na = el nombre d’àtoms continguts al volum, V, i ma , massa atòmica. Aquesta consideració ens porta a una conclusió molt general: ρ (fase amorfa ) < ρ (fase cristal·lina).
Aquest resultat ens diu que els àtoms a l’estructura CCC estan més ben empaquetats que a l’estructura CC. La seva validesa és més general; la manera més eficient d’empaquetar boles (o àtoms) idèntics és la CCC i també la HC. En el cas de la CC queden més espais buits. Per això es diu que: CCC i HC són estructures compactes. CC és estructura no compacta.
Exemple 1: el quars (SiO 2 cristal·lí) té una densitat de 2,65 g/cm^3 , mentre que per al quars vitri (amorf) ρ = 2,2 g/cm^3. Calcula: a ) El % d'àtoms que hi ha en excés en el quars respecte al vidre per unitat de volum. b ) El % d'àtoms que hi ha de menys en el vidre respecte al quars.
a) 0 , 2 20 % 2 , 2
ρ
ρ ρ ρ
ρ ρ (vidre)
(quars) (vidre) = →
V
q V V
q V a
a a V
V V
N
N N
b) 0 , 17 17 % 2 , 65
ρ
ρ ρ ρ
ρ ρ (quars)
(quars) (vidre) = →
q
q V q
q V a
a a V
V V
N
N N
Exemple 2: calcula la densitat de les dues formes al·lotròpiques del ferro: CC i CCC. Els paràmetres de malla són acc = 0,286 i accc = 0,351 nm, respectivament (paràmetres determinats per difracció de raigs X).
CCC: 4 àtoms per cel·la, 37,11 10 gr 6,02 10 uma
1 gr 4 55 , 85 4 uma 23 = ⋅^ −^23 ⋅
mFe = × ×
Volum V = aCCC^3 =0,351^3 ⋅ 10 −^27 m^3 =0,0432⋅ 10 −^27 m^3 =0,0432⋅ 10 −^21 cm^3
21 3 3
23
cm
gr 8, 0,0432 10 cm
4 37,11 10 gr ρ = ⋅
−
V
mFe CCC
CC: 2 àtoms per cel·la, 18.55 10 gr 6,02 10 uma
1 gr 2 55 , 85 2 uma 23 = ⋅^ −^23 ⋅
mFe = × ×
Volum V = aCC^3 =0,286^3 ⋅ 10 −^27 m^3 =0,0234⋅ 10 −^27 m^3 =0,0234⋅ 10 −^21 cm^3
21 3 3
23
cm
gr 7, 0,0234 10 cm
2 18,55 10 gr ρ = ⋅
−
V
m (^) Fe CC
b)
La mateixa frontera de gra es pot considerar com un error en l’ordre:
El desordre dels àtoms a un costat i l’altre de la frontera prové del fet que, a cada gra, els plans cristal·logràfics tenen diferents direccions. Frontera d’angle gran
Frontera d’angle petit
c) Defectes lineals: dislocacions.
d) Macles (canvi d’orientació simètrica sobtat):
Dislocació mixta
Dislocació de vora Dislocació helicoïdal
Micrografia TEM d’una aliatge de Titani
Micrografia TEM d’un llautó
(W. D. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5a ed., John Wiley and Sons, 2001, EUA)
