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. www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ligazones entre átomos y moléculas Ligazones primarios Iónicos Covalentes Metálicos Ligazones secundarios Van der Waals Puente de Hidrogeno www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ligazones iónicas Ligazones iónicos Entre partículas cargadas Propiedades típicas Duros, quebradizos Buenos aislantes Transparentes www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ligazones covalentes Ligazones covalentes Se “comparten” electrones Propiedades típicas Duros, quebradizos Buenos aislantes Transparentes www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ligazones metálicas Ligazones metálicas Se “comparten” un “mar” de electrones Propiedades típicas Dúctiles Buenos conductores eléctricos Buenos conductores térmicos www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ligazones tipo Van der Waals Origen electrostático Débil www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ligazones por puente de Hidrogeno Ligazones tipo puente de Hidrogeno Origen polarización Débil www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Energías de Ligazón Nivel de energías Ligazones Covalentes Iónicos Metálicos Puentes de Hidrogeno Van der Waals Densidad de energía [GJ/m3] 1000 30-100 30-150 8 2 Ejemplos Diamantes Sales y cerámicas Metales Agua Plásticos www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Estructura Formación de cristales Formación de estructuras amorfas www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Cristales Body-Centered Cubic BCC Face Centered Cubic FCC Hexagonal Close Packed HPC www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

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 www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Solidificación Propiedades mecánicas Van a depender de la estructura granular Formación de un solido Formación de núcleos Crecimiento de cristales www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Dislocaciones Otra inhomogeneidad: Dislocaciones Existen planos de dislocación Los planos se mueven bajo esfuerzo de cizalla www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Fallas en cristales Faltantes En espacios intermedios Substituciones www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Efecto de inserciones en Cobre Modulo de Elasticidad [psi] % de inserción www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Deformaciones Los defectos afectan en forma directa las deformaciones Elásticas Plásticas www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

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 www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

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) www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

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 Gas Solido Fases Temperatura (C) www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

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 www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ejemplo Apliquemos al diagrama del agua Liquido 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) Presión Gas Solido Temperatura (C) www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ecuación del Gas Un gas se rige por la ecuación: Presion [Pa] Volumen [m3] Numero de moles [moles] Constante del Gas [8.314 J/mol K] Temperatura [K] www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Ecuación de Clausius Clapeyron Apliquemos al diagrama del agua Liquido Presión Solido Variacion de presion [Pa] Variacion de temperatura [K] Calor latente o entalpía del cambio de fase [J] Temperatura [K] Variacion de volumen [m3] Gas Temperatura (C) www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Coexistencia liquido solido Zona de coexistencia o cambio de fase Limite del liquido F=1 c=c(T) Limite del solido Variables T (p constante) F=2 (T,c) Temperatura (C) K=2 (Cu, Ni) Concentración de Ni (%) www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

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. www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Proporciones Contenido de Cu (%) Proporciones en la fase mezcla Temperatura (C) Contenido de Ni (%) www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Propiedades Mecánicas Temperatura [C] Cu refuerza Ni Ni refuerza Cu Módulos [psi] Elongación [%] Concentración [%] www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Eutéctico Diagrama de fase con dos zonas mixtas: eutéctico Liquido Temperatura (C) Solido Au (100%) Si (100%) Contenido Si (%) www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

El problema: metales varios Distintas estructuras www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Diagramas mas complejos Diagramas de fases mas complejos L Temperatura (C) Contenido Sn (%) www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Efectos Aleación % www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Efectos www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Difusión Los procesos de cambio de fase pueden ser lentos pues en parte ocurren por difusión: www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Transporte en el Agua Difusión de sustancias (sin corriente). www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

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] www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Transporte en el Agua - Difusión Significado de la constante de Difusión: Constante de difusión [m2/s] Tiempo transcurrido [s] Camino recorrido [m] www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09

Contacto Dr. Willy H. Gerber wgerber@gphysics.net Instituto de Fisica Universidad Austral de Chile Campus Isla Teja Casilla 567, Valdivia, Chile www.gphysics.net – UACH-Fisica en la Odontologia–2-5-Propiedades-de-Aleaciones-Version 05.09