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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA

METALURGIA FISICA Presentado al:

Ing. VILLAVICENCIO RAMON Félix Albert.

Facilitador del Curso “METALURGIA FISICA Y EXTRACTIVA”

Realizado por:     

CALDERON RODRIGUEZ ,Fabiola Susan CHAMBERGO ROMAN, Karina ESPIRITU BASTIDAS ,Ingrid Gabriela OLORTICO SOTO. Stefany Deyse PASCUAL VILLANUEVA, Nilson

Alumna del VIII ciclo de la Facultad de Ingeniería Química

HUANCAYO, Perú – 2017-I

INTRODUCCION Metalurgia es el arte y la ciencia de obtener los metales a partir de sus minerales y adaptarlos a las necesidades del hombre. Hay, pues, por lo menos dos grandes divisiones de la metalurgia: “la obtención de los metales a partir de sus minerales”, que es la metalurgia extractiva o metalurgia química; y “la adaptación a las necesidades del hombre”, metalurgia física o metalurgia adaptiva. En realidad esta última división comprende todos los sistemas de procesamiento de los metales, desde la fundición hasta la soldadura, por ello de un modo más restringido se considera como metalurgia física a la parte de la metalurgia adaptiva que estudia las propiedades de los metales en relación con su estructura. Se entiende por estructura todo tipo de ordenamiento interno, que va desde las dimensiones atómicas (picoestructura), pasa por la estructura cristalina (nanoestructura), la distribución de las fases y cristales (microestructura) hasta la macro estructura, producto de los procesos de fabricación. (Avner S. H., Introduccion ala metalugia fisica, 1890) La metalurgia física es la ciencia que se ocupa de las características físicas y mecánicas de los metales y aleaciones. Esta rama estudia las propiedades de los metales y de las aleaciones según lo afectan las tres variables como su composición química, el tratamiento mecánico y el tratamiento térmico. Como disciplina la metalurgia física es reconocida con Sorby a i n i c i o s d e 1864, pero sus orígenes se remontan mucho más atrás en el tiempo. Sorby aplicó los métodos petrográficos al acero, obtuvo fotos de la microestructura, reconoció constituyentes y creó una revolución en la metalurgia física (o metalografía como se le llamaba entonces). Otros nombres importantes en la metalurgia física del siglo XIX fueron Anossof, von Fuchs, Widmänstatten, Martens, David, Karsten, Tchernoff, Roberts-Austen, Osmond, Neuman, Swing, Rosenhain, Young, Barlow, Tredgold, Rozebom, Gerens, Baikov, Bauschinger, Lüders, Wöhler, Kalisher, Stead, Mathiessen, Gibbs, Faraday, Berthier, Mushet, Hadfield y Sauveur. En la primera mitad del siglo XX la metalurgia física experimentó grandes avances y pueden mencionarse nombres asociados a ellos como los de Taman,Debye, Bragg, Hume- Rothery, Frenkel, Wagner, Schotty, Volmer, Wiln, Merica, Waltenberg, Scott, Guinier, Preston, Polanyi, Schmid, Boas y Hollomon, entre otros. A partir de 1950 el desarrollo ha sido tan vertiginoso que es imposible seguirle el paso en esta corta introducción. Se descubrieron materiales, procesos, instrumentos, tratamientos y técnicas, tantos y tan variados como el electro vacío, la electrónica de semiconductores y la producción de energía atómica. Todo ello ha llevado a la presente revolución de la robótica y la informática en que la metalurgia y los materiales son esenciales. Actualmente a principios del siglo XXI la metalurgia física sigue desarrollándose en los principales temas como:   

Métodos experimentales para examinar los metales Cristalografía de los metales: Defectos puntuales, dislocaciones, granos, entercaras Transformaciones de fase no difusivas: martensítica y masiva y otros. (Giraldo, 2003)

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RESUMEN En el presente informe se describe la metalurgia física como parte de la metalurgia adaptiva que estudia las propiedades de los metales en relación con su estructura para su procesamiento; es decir, por todo tipo de ordenamiento interno que va desde las dimensiones atómicas, la estructura cristalina, luego por la distribución de las fases y sistemas de cristalización, etc. las cuales al ser modificadas aumentara o disminuirá las propiedades en los procesamientos de los minerales. Por lo cual los objetivos de este informe son conocer los conceptos, principios básicos y describir la metalurgia física, centrándonos en los temas de estructura interna, cristalización de los metales, constitución de las aleaciones y diagrama de fases. Llegando a la conclusión que en la estructura interna se pueden determinar las propiedades de los metales y aleaciones, se puede ejercer control sobre la estructura por medio de procesos como la solidificación, la aleación, la deformación plástica, los tratamientos térmicos y la irradiación, los sistemas de cristalización son la forma en que los átomos o iones están dispuestos en una celda donde el material solido cristalino es un arreglo tridimensional de átomos e iones o moléculas, los cuales definen las propiedades físicas y químicas del metal y por ende de las aleaciones. Al igual que en los diagramas de fase se registran los datos con respecto a los cambios de fase en los sistemas de aleación por medio de ellas se conoció las condiciones bajo las cuales existen estas fases y bajo las cuales ocurrirá un cambio en la fase, reconociendo asi las mas importantes condiciones posibles de equilibrio entre fases en aleaciones binarias que dan a conocer los principios basicos para entender e interpretar sistemas de aleaciones mas complejos. La metalurgia física así pues estudia el metal como una sustancia, sin tener en cuenta su tamaño y su forma apoyándose en la química, física y la termodinámica .

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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  Conocer y describir los conceptos, características de la metalurgia física.

principios

básicos

y

principales

OBJETIVO ESPECIFICO  Definir y conceptualizar la metalurgia física.  Conocer y describir la estructura interna de los metales y la constitución de las aleaciones.  Reconocer las tipos de cristalización que existen en los metales.  Definir que es un diagrama de fases para sistemas de aleación y describir su clasificación.  Conocer los principales diagramas de fases para sistemas de aleación.

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MARCO TEORICO 1. METALURGIA FÍSICA (sordonez, 2003) Pocas cosas de la naturaleza parecen más inanimadas que un pedazo de metal. El observador solo ve su propio reflejo en la superficie brillante y quieta y nada del mundo interno. Este mundo interno, sin embargo, es un lugar de actividad incesante. Los electrones disparan de un lado al otro a inmensa velocidad. Los átomos mismos también se mueven e intercambian lugares, aun cuando el metal está completamente sólido. Los cambios de temperatura pueden hacer que los átomos se reubiquen de improviso, tomando una forma radicalmente diferente de organización. En un acero templado esto puede ocurrir en un par de microsegundos, aún a temperaturas muy por debajo de la ambiente. Deformación plástica ocurre por el paso de defectos cristalinos, llamados dislocaciones, que se mueven a alta velocidad a través del metal y ocasionan deslizamientos visibles entre masas enormes de átomos. El tráfico de dislocaciones puede llegar a ser muy denso. Se forman inmensos tacos de tráfico, que hacen que las dislocaciones no puedan moverse y el metal se endurece. Cuando este metal "endurecido por trabajo" es calentado (recocido) se libera de estas dislocaciones en una ola de reorganización del ordenamiento atómico (recristalización). Ordenamientos atómicos completamente nuevos pueden ser producidos por aleación y estos a su vez pueden ser cambiados por tratamientos térmicos. El estudio de todos estos efectos pertenece a la Metalurgia Física, la parte que trata de la estructura de los metales y aleaciones, con el objeto de diseñar y producir aquellas estructuras que dan las mejores propiedades. Un descubrimiento trascendental para la Metalurgia Física, fue desarrollado por Sorby, en la segunda parte del siglo XIX, la técnica metalográfica para la observación de estructuras de metales y aleaciones con un microscopio óptico de reflexión. La gran barrera del brillo superficial fue penetrada finalmente, por un proceso de pulido y ataque químico para revelar la estructura interna. Se vio entonces la estructura granular de los metales, un ensamble de cristales diminutos entrelazados. Se observaron grandes cambios en la microestructura debido a aleación, trabajo y tratamiento térmico. Las ideas acerca de la naturaleza de estos cambios se agudizaron rápidamente una vez que fue posible interpretar estas observaciones. Aproximadamente en el mismo tiempo, la teoría de la termodinámica fue clarificando lo que sucedía cuando se mezclan diferentes sustancias y esto permitió estudiar las aleaciones científicamente. La combinación de la investigación sistemática en aleaciones mediante microscopia óptica abrió muchas de las puertas hacia la Metalurgia Física. Tanto como los procesos de endurecimiento por temple y revenido, las estructuras y propiedades de las primeras aleaciones, tales como bronce y latones, pudieron ser racionalizadas, y por fin se tenía un método para el desarrollo sistemático de aleaciones diseñadas deliberadamente para tener ciertas propiedades. El método de Difracción de Rayos X, cuya aplicación introdujo la segunda fase de importancia de Metalurgia Física en 1920. También se prepararon mono cristales de metales, en ese tiempo, y sus propiedades mecánicas explicaron buena parte de los procesos de deformación plástica.

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Los próximos grandes avances fueron teóricos. A principios de 1930 la teoría cuántica de electrones y átomos había llegado a ser suficientemente poderosa como para prever una teoría real del estado metálico, que podía explicar en qué consiste realmente un metal y como conduce la electricidad. Las fuerzas que mantiene juntos a los átomos pudieron entonces ser entendidas y se inició la teoría de las aleaciones.

2. ESTRUCTURA INTERNA (R.L., 1958)La metalografía estudia la estructura interna de los metales y de las aleaciones y relaciona esa estructura con las propiedades mecánicas para establecer las relaciones entre la composición química de los metales y aleaciones con las respectivas propiedades físicas. 2.1 EL ÁTOMO (Saiz, 2017)Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas. El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones, y alrededor del núcleo se encuentran los electrones girando. Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros (carecen de carga positiva o negativa). 

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Elementos electropositivos: los que ceden electrones en las reacciones químicas (catión). Ejemplo: los metales. Tienen 3 o menos electrones en niveles externos y forman cationes por pérdida de electrones. Elementos electronegativos: cuando captan electrones en las reacciones químicas (anión). Ejemplo: los no metales. Tienen 4 o más electrones en niveles externos y forman aniones por ganancia de electrones. Energía de ionización: es la mínima energía que hay que suministrarle a un átomo para arrancarle un electrón.

2.2 TIPOS DE ENLACES 

Enlace iónico: (Lindenvald, 2008)se forma entre átomos muy electropositivos y muy electronegativos (metales y no metales), consiste en la transferencia de electrones desde los átomos electropositivos a los electronegativos. Se dan fuerzas de enlace de Coulomb. Ejemplo: NaCl (sal común); HF; KCl., LiF

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 Propiedades: - Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. - Duros y frágiles. - Aislantes en estado sólido y conductores en disolución. Enlace covalente: (Lindenvald, 2008) se forma entre átomos con pequeña diferencia de electronegatividad. Los átomos comparten sus electrones externos con otros átomos. Se pueden formar enlaces múltiples de pares de electrones. Ejemplo: F2, O2, N2. El enlace covalente puede darse entre átomos produciéndose fuertes uniones; o entre moléculas mediante fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno, y en estos casos las uniones intermoleculares son débiles. Ejemplo: enlace covalente entre moléculas: H2O (agua); NH3 (amoniaco), polímeros o plásticos  Propiedades enlace covalente entre átomos: - Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. 6

- Duros y frágiles. - Aislantes en estado sólido y líquido - Solubilidad muy baja.  Propiedades enlace covalente entre moléculas: - Baja energía de enlace, y baja temperatura de fusión. - Blandos y con propiedades de plasticidad. - Aislantes en estado sólido y líquido - Solubles en disolventes orgánicos. 

Enlace metálico: (Lindenvald, 2008) se forma entre dos metales. Se produce una atracción de sus núcleos (iones +) y los electrones de la última capa (electrones de valencia) se colocan dispersos en forma de nube electrónica cubriendo un espacio y rodeando a los núcleos, Los átomos tienden a desprender estos electrones y los iones positivos que quedan se disponen en una estructura geométrica ordenada y simétrica, denominada estructura cristalina. Esta estructura puede ser más o menos compleja y puede contener algunas irregularidades. Esto explica la alta conductividad eléctrica y térmica. También explica que la mayoría de los metales puedan deformarse considerablemente sin fracturas, ya que los enlaces se deslizan en lugar de romperse.  Propiedades: - Energía de enlace variable y punto de fusión variable. - Dúctiles y maleables. - Buenos conductores - Insolubles en general - Brillo metálico. FIG.N°1: TIPOS DE ENLACE

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FUENTE: (Coloma, 2010)

2.3 ESTRUCTURAS CRISTALINAS. (Saiz, 2017)Modelo regular tridimensional de átomos en el espacio.

2.3.1

2.3.2

Solido amorfo y sólido cristalino: En un sólido amorfo las partículas carecen de una estructura ordenada (ejemplo: vidrio). En los sólidos cristalinos, sus átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas. Sistemas cristalinos Un material tiene estructura cristalina cuando todos sus átomos están ordenados en el espacio repitiendo una distribución espacial.

Celda unitaria: es la unidad que se repite dentro de la estructura cristalina Casi todos los metales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales: La celda unidad se define geométricamente por 6  tres ejes cristalográficos (a, b y c)  tres ángulos interaxiales (α, β, Ƴ).  FIG.N°2: EJES

FUENTE: (Saiz, 2017) 2.3.2.1 BCC Cúbica Centrada en el Cuerpo (CC): los átomos se sitúan en los vértices y en el centro del cubo.

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 n: n° de a tomos de cada unidad 𝑛 =1+8∗

1 =2 8

 Índice de coordinación: i =8 El I.C. de la celda c.c. es de 8, coincidiendo con el del átomo central.  Constante reticular 𝑎 = (4 ∗ 𝑅)/√3 Ejemplo: temperatura ambiente del fierro

2.3.2.2 FCC Cúbica Centrada en las Caras (CCC): los átomos se sitúan en los vértices y en los centros de cada cara.  n: n° de a tomos de cada unidad 1 1 𝑛 =6∗ +8∗ =4 2 8  Índice de coordinación: i =12 El I.C. de la celda c.c. es de 12, coincidiendo con el del átomo central.  Constante reticular 𝑎 = (4 ∗ 𝑅)/√2 Ejemplo: temperatura ambiente Temperatura ambiente: Cu, Ni y Al Estado alotrópico del hierro: 912ºC