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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS

INGENIERÍA INDUSTRIAL

TECNOLOGIA DE METRIALES.

TÍTULO: Antología de tecnología de materiales.

SECUENCIA: 2IV54

NOMBRE DE LOS INTEGRANTES: - Mendoza Pérez Antonio De Jesús

PROFESOR: Gonzales Bermejo Juan José

INTRODUCCION En el presente trabajo vamos a ver a grandes rasgos algunos conceptos que integran la materia de Tecnología de los Materiales, los cuales nos servirán para poder tener en claro algunas ideas que nos servirán para tener una comprensión más clara de dicha materia, así mismo nos permitirá familiarizarnos con la industria del acero sus tratamientos y aplicaciones a la industria y a la vida diaria, algunos de los conceptos que trataremos será: Historia de los materiales y su evolución a través de loa años, veremos que esto ha ejercido cierta influencia en las sociedades de todo el mundo, veremos la clasificación de los materiales como son los metales, cerámicos y los plásticos, así también veremos las propiedades físicas y químicas de dichos materiales y el cómo conocerlas nos permite trabajar de una manera más eficiente con ellos también veremos las estructuras cristalinas, el cómo conocer la estructura interna de los materiales nos permite darles un mejor uso y que puedan ser de mejor aprovechamiento, así también los tratamientos térmicos que dichos materiales pueden recibir con el objeto de darles una mayor durabilidad y mejor aplicaciones a la industria, otro aspecto que trataremos será los aceros y como su uso y aplicaciones a lo largo del tiempo ha evolucionado y mejorado, algo que no podría faltar son los enlaces químicos y como conocerlos nos da ideas sobre el uso y aplicación de los materiales, anexaremos también un pequeño laboratorio de máquinas que su uso es las famosas pruebas de tensión, dureza, fatiga e impacto, las cuales nos permiten checar la calidad de los materiales de una manera cualitativa y cuantitativa veremos la gráfica de Hierro Carburo de Hierro, la cual es usada en los procesos de fundición del acero, dicha grafica es de singular uso, ya que en ella se pueden observar todos los procesos de fundición del acero y de cómo este se trabaja, agregaremos también algunas microfotografías de las estructuras de la austenita, ferrita y otras, en ellas se puede observar los granos y también que distingue a una de la otra, es decir la micro estructura de los aceros, a lo largo de este curso se podrán ver muchos conceptos que en su totalidad nos permiten asimilar como la industria de los materiales ha progresado y que aun los ingenieros hoy en día trabajan con el único fin de descubrir nuevos materiales y reinventar los ya conocidos con el fin de mejorar la economía y poder aprovechar de manera óptima los recursos que se tienen a la mano, a lo largo de las últimas décadas este ha sido el quehacer de la industria, no tan solo en los materiales sino en todas sus ramas, la evolución de la industria y los nuevos tiempos traen mayores necesidades y es responsabilidad nuestra la optimización de los procesos industriales. Todas las industrias hoy buscan mejorar los procesos y poder reusar las mermas, todo como una cultura de reciclaje y mejora de la industria, la economía y el bienestar de la comunidad en conjunto; este trabajo tratara de darnos esas ideas para ser más conscientes y además para mejorar nuestro conocimiento de la ciencia y la tecnología de los materiales, debido a que no podemos quedarnos ausentes de los cambios que en nuestra industria se generan momento a momento, es de gran importancia el conocimiento de dichas tecnologías, aunque estas no estén presentes en nuestra vida de manera constante; esperamos que este material sea de provecho y utilidad para de uno u otro modo mejorar nuestra cultura de la industria y del uso

adecuado y consiente de la materia prima, que de uno u otro modo debemos de ser cuidadosos en el uso que pretendamos darle a este recurso, los cambios día con día son irremediables y somos víctimas de ellos y tenemos que caminar de la mano y a la par con ellos para poder sobrevivir económicamente, como economía nacional y como una economía individual, vera en este trabajo cada uno de los conceptos básicos que ayudan a saber y conocer más de los materiales, ojala a medida que lo lea pueda disfrutar de él y hacer un uso correcto, el material es introductorio y no pretende ser un estudio detallado de los conceptos.

1.1 CIENCIA DE LOS MINERALES.DESARROLLO HISTORICO. DEFINICION DE MATERIAL. La Unidad Didáctica de Conocimiento de Materiales, se divide en cinco Núcleos de Actividad: Minerales, Obtención del Acero, Estructura Cristalina de los metales, Metales no Férreos, Plásticos Industriales. EL objetivo es de dar a conocer a los estudiantes los distintos materiales a utilizar en la industria metal sus características, y dentro de los distintos materiales, en especial el acero de construcción de uso preponderante en la fabricación de autopartes. EDAD DE PIEDRA: Estamos en los orígenes de la humanidad y el hombre aún hace poco que ha bajado de los árboles pero ya ha comenzado a usar rústicos útiles que al principio no eran más que pequeñas piedras. Con el paso del tiempo comenzarían a fabricar los primeros utensilios de la historia al afilar las piedras para proveerlas de superficies de corte con las que desgarrar carne, cortar pieles, afilar palos,... Poco a poco fueron perfeccionando estos útiles hasta dotarlos de mangos de madera y construir hachas y otras herramientas similares. También se comenzaron a utilizar herramientas hechas de huesos de animales así como a confeccionar rudimentarias vestimentas con las pieles de los animales que cazaban. Uno de los grandes (tal vez el mayor) desarrollo de la humanidad surge en esta época: el dominio del fuego que inicialmente se logra haciendo chispas entre dos piedras y posteriormente frotando palos entre sí. La mejora de las herramientas así obtenidas permitió comenzar a trabajar las tierras, con lo que los pueblos comenzaron a transformarse de nómadas a sedentarios. De una de las necesidades que les surgieron, almacenar los excedentes de las cosechas, surgió un nuevo material: La cerámica. Las primeras cerámicas se fabricaron humedeciendo tierra, moldeándola a mano y luego dejándola secar al sol, allí donde era posible (oriente medio y zonas desérticas), o bien secándolas con la ayuda del fuego. Poco a poco al nuevo material se le fueron dando nuevos usos como paredes, ladrillos,..., y se fue mejorando seleccionando mejor las arcillas y los métodos de obtención. EDAD DEL COBRE: Unos cuantos siglos después de que el hombre comenzar a usar las primeras herramientas, allá por el año 9500 adC a alguien de las proximidades de la antigua Mesopotamia se le ocurrió calentar hasta fundir unas piedras que encontró, obteniendo así, tras darle forma y dejarlas solidificar, la primera pieza metálica de la historia, que fue de cobre, y de paso, llevó a cabo el primer proceso industrial, por muy rudimentario que fuese. Sin embargo, el inicio de la edad del cobre no se data oficialmente hasta el año 5000 adC, fecha a partir de la cual se considera que su uso ya era frecuente en la mayoría de las culturas de la época. Puede resultar sorprendente para nosotros que fuera precisamente el cobre el primer metal es ser usado, más aun teniendo en cuenta que las propiedades que presentaba entonces eran bastante pobres, pero la explicación radica en la sencillez del proceso de obtención en comparación con el hierro ( algo que sin duda en la siderurgia moderna ocurre totalmente al contrario ). Para la obtención de piezas de cobre bastaba con calentar la mena hasta fundirla, verter el mineral en un molde y dejarlo enfriar. Lógicamente, en un principio no había ninguna operación de afino y sólo se eliminaba la ganga. Las piezas así obtenidas tenían una cierta resistencia (pero muy poca tenacidad ya que eran muy

frágiles) sin necesidad de forja y por ello era bastante sencillo operar con él. Ese cobre iba mezclado con una gran cantidad de ale antes e impurezas, pero el término bronce se reserva para cuando ya se comenzó a añadir estaño de forma intencionada. Fue con el empleo del cobre cuando se comenzaron a desarrollar hornos especiales que alcanzaban elevadas temperaturas, necesarias para fundir la mena: Los más avanzados tenían un crisol cerámico de forma troncocónica invertida en el cual se depositaba el mineral y se mezclaba con algo de carbón de leña, pues se había descubierto que así se mejoraba el producto final ( con el calor, parte de las impurezas se liberan como monóxido y dióxido de carbono consiguiéndose un importante afino del metal y una mejora de sus propiedades ). Por medio de largos tubos o fuelles se insuflaba aire al fuego para alcanzar temperaturas de unos 1000 pc necesarias para fundirlo. Por un agujero practicado en el fondo del crisol iba cayendo el caldo líquido que se llevaba hasta los moldes, en donde se dejaba solidificar. EDAD DEL BRONCE: El desarrollo del bronce surge con el fin de mejorar las propiedades mecánicas del cobre. Aunque no hay datos demasiado fiables, se cree que fueron los egipcios los primeros que añadieron estaño al cobre (3000 adC) al observar que así se mejoraban sus propiedades, creando así la primera aleación “intencionada”. Las proporciones inicialmente usadas solían rondar el 10% de estaño. Se comprobó cómo aumentaba la dureza, disminuía el punto de fusión y aumentaba la resistencia a la corrosión. También se comprobó que el bronce era reciclable, es decir, se podían fundir las piezas ya obtenidas y volver a obtener otras de idénticas propiedades. La técnica de obtención del bronce es idéntica a la del cobre, con la salvedad de que se emplea una menor temperatura de fusión, Teniendo cuidado de no excederla en exceso para evitar la oxidación, y que hay que añadir el estaño. EDAD DEL HIERRO: Y, por fin, con casi 7000 años de retraso respecto al cobre, llegó la hora de que la humanidad comenzara a usar el “rey de todos los materiales”, el hierro. Como se indicó más arriba, no fue por problemas de abundancia (es el segundo mineral más común en la corteza terrestre, tras el Aluminio), ni de desconocimiento, sino puramente tecnológico. Como curiosidad, en un principio el hierro era considerado la joya más preciada, pues se trataba de hierro meteórico, procedente de meteoritos, por lo que era muy escaso. Según antiquísimos escritos, los precursores del empleo del hierro habrían sido los hititas, que habrían comenzado a fundirlo a partir del año 2000 adC. Fabricar hierro requería un procedimiento muy distinto al del cobre y el bronce (no se fundía), primero porque había que conseguir con gran capacidad calorífica: el mineral machacado debía

estar totalmente rodeado de carbón de leña (que se consumía en grandes cantidades) y numerosos fuelles que, a través de toberas, insuflaban oxígeno continuamente. El mineral debía ser precalentado en un horno y por medio de golpes se eliminaban algunas impurezas; luego se llevaba al estado incandescente, en un segundo horno, hasta obtener una masa denominada hierro esponjoso, altamente impuro, por lo que volvía a ser golpeado en caliente para refinarlo. Después de un largo y repetitivo proceso de martilleo y calentamiento, evitando que el hierro se enfriase, se obtenía una barra forjada, bastante pura, resistente y maleable. Para las armas y ciertas herramientas, el hierro se templaba enfriándolo bruscamente en agua. Las primeras nociones sobre los minerales se formaron en la antigüedad. El conocimiento del mundo mineral comenzó por el uso directo de las piedras recogidas en la superficie de la tierra como instrumentos de trabajo simples y armas. En aquel entonces, el hombre escogía piedras de forma, masa y resistencia adecuadas para el uso que se les iba a dar. Más tarde, pasando a un labrado más perfecto, crecía la importancia de la piedra, cambiaba su destinación y se ampliaban los usos. Se comenzó a utilizar mejor las diferencias de las propiedades de las piedras, aparecieron las primeras experiencias de su búsqueda y extracción. Tenían una calidad especialmente alta los artículos de silicio, obsidiana y calcedonia, así como nefrita. Los hombres aprendieron a hacer de la piedra, además de las hachas y los martillos, las puntas de lanza, flechas, cuchillos, rascadores y otras herramientas de trabajo de perfección sorprendente. Comenzaron a extraer la arcilla para realizar orfebrería Las piedras de color rojo vivo se usaban desde la remota antigüedad como adornos y amuletos. Las pinturas minerales se utilizaban en la pintura rupestre, la cosmética ritual y la cosmética más convencional. Ciertas piedras se utilizaban en la alimentación y como medicina. Al final de la época prehistórica, a juzgar por los hallazgos arqueológicos, el hombre usaba medio centenar de rocas y minerales diferentes tales como la arenisca, cuarcita, basalto, obsidiana, sílex, calcedonia, cuarzo, nefrita, arcilla y la arena. Con el surgimiento de las ciudades y los estados tuvo una gran importancia el descubrimiento de las propiedades de los metales como su maleabilidad, la extracción, transformación de los minerales de oro, plata, cobre, estaño, mercurio, hierro, plomo así como de las piedras preciosas. Para la fabricación de las armas y objetos de trabajo se usaba el cobre, luego el bronce (aleación de cobre y estaño) y el hierro. La plata, el oro y las piedras preciosas servían de adornos, como símbolos de poder y se usaban ampliamente en el intercambio comercial. Las piedras y la arcilla también se usaban como material de construcción. Durante la construcción y edificación de obras de carácter monumental se solían emplear piedras de fácil trabajo como la arenisca o la caliza, y para las columnas, el acabado interior y exterior, las esculturas, se usaban piedras de calidad decorativa superior como el mármol, el granito, el basalto, etcétera. Durante varios siglos se acumuló la experiencia en el uso de la piedra y los metales para fines prácticos, y se ampliaron los conocimientos sobre el mundo mineral, como testifican los restos de

culturas antiguas, minas antiguas, textos de papiro del antiguo Egipto y otras fuentes escritas. En las crónicas chinas (siglo XX a V a.C.), la poesía épica hindú (siglo XI a X a.C.) así como en las obras de escritores antiguos que reflejan datos variados sobre las piedras y su nivel de conocimiento y nociones en aquel entonces sobre los minerales y su sistematización, sus propiedades, estructura, origen y su empleo. Aristóteles (384-322 a.C.), el pensador de la antigua Grecia, explicaba la formación de los metales por la sublimación regresiva de éstos en estado gaseoso del interior de la Tierra y su discípulo Teofrasto dio la primera descripción de alrededor de 50 minerales. En los libros del naturista de la antigua Roma, Plinio el Viejo (23-79 d.C.) se hallan las descripciones más detalladas de las piedras más sistematizadas según su empleo práctico.

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En el periodo inicial de la época medieval, la minería obtuvo un desarrollo especialmente amplio en los países de Oriente, así como en la América Central, Europa Occidental y Oriental donde se conservaron hasta nuestros días las huellas de las explotaciones. En el territorio de Asia Central, por aquella época, se llevaba a cabo una extracción intensa de menas de cobre, mercurio, plomo, plata, estaño, hierro, piedras preciosas y arcilla cerámica. Los datos empíricos allí acumulados sobre los minerales fueron acumulados en las obras de los eminentes científicos de Arabia y el Asia Central medieval. Los minerales fueron examinados por ellos como unas substancias naturales que se caracterizaban no solo por sus propiedades físicas, sino por las químicas. Aunque el término “minerales” no se hizo corriente, la noción de ellos se hace cada vez más determinada. El eminente científico de la Edad Media Ibn-Sina (980-1057 d.C.) expuso la siguiente clasificación de los minerales: Piedras y tierras Metales Fósiles sulfurosos Sales En Europa, en el periodo inicial del feudalismo, se amplió considerablemente el desarrollo de las explotaciones mineras. Ya en los siglos VI y VII se efectúan las extracciones de las minas de cobre, plomo y plata en los países eslavos (Bohemia y Moravia). Luego la industria minera se difunde por toda Europa, en Hungría se extrae oro, en Sajonia el cobre y la plata, en Polonia la sal, en el territorio de la antigua Yugoslavia el mercurio, etc. El desarrollo de las ciencias naturales en Europa, incluso la ciencia sobre los minerales, comenzó desde la época del Renacimiento. En los siglos XV a XVI, debido al crecimiento de las ciudades, el desarrollo del comercio y la industria, el invento de las armas de fuego, etc., aumenta la demanda de materias primas, se amplían las búsquedas y crece la escala de extracción de las menas de diferentes metales, sales, mica, carbón, materiales destinados a la construcción y otros minerales útiles. Por aquel entonces, en Europa ya se habían formado grandes centros de industria minera. En Bohemia, por ejemplo, el centro de industria fue la mina de plomo y plata de KutnaGora, cuyas explotaciones subterráneas alcanzaban una profundidad de varios centenares de metros y cubrían, junto con las minas de Sajonia, la necesidad en plata y plomo de toda Europa.

Precisamente en este periodo de crecimiento impetuoso de la industria minera en Europa está enlazado el surgimiento de la mineralogía como ciencia sobre los cuerpos minerales naturales, a los cuales pertenecen, junto con diferentes, junto con diferentes menas y cristales, también las rocas, fósiles, ámbar, etc. Una gran influencia sobre el desarrollo de la industria minera y los conocimientos geológicos y mineralógicos en Europa causó la actividad del científico alemán Jorge Bauer conocido bajo el nombre de Jorge Agrícola (1494-1555). En sus obras fueron generalizados la experiencia y los conocimientos acumulados durante la búsqueda, la extracción y la elaboración de las menas de plata, plomo y estaño en Sajonia y Bohemia. Propuso una clasificación lógica de los minerales, fundad en las propiedades físicas y la morfología de estos (color, brillo, transparencia, densidad, dureza, fragilidad, olor, sabor, forma exterior, solubilidad, fusibilidad, textura, friabilidad, compacidad y sequedad). En esa clasificación todas las materias naturales están divididas en gases, líquidos y minerales. Los minerales, a su vez, se subdividían en simples y compuestos. Entre los simples se distinguían las tierras, sales, piedras y metales. Entre los compuestos, mezclas finas (compactas) y gruesas (mullidas). No obstante, Agrícola todavía no hace diferencia entre rocas, menas, fósiles y minerales propiamente dichos. Los principios de este sistema, con pequeñas variaciones, se conservaron hasta principios del siglo XIX en las obras de varios científicos, hasta la clasificación de A.G. Werner (1750-1817) que abarcó más de trescientos nombres de minerales. El florecimiento de la mineralogía en Europa se enlaza con la actividad de la Escuela de Minas de Freiberg, fundada por A.G. Werner a fines del siglo XVIII. Desde aquel periodo comienza la diferenciación de la ciencia del mundo de la mineralogía. Según la propuesta de Werner, de la mineralogía se separó la geología y la paleontología como la ciencia sobre los fósiles, mientras que la ciencia sobre los minerales y las menas se llamaba orictognosía (del griego orictos, mineral) hasta mediados del siglo XIX. La rama cristalomorfológica y mineralógica en la mineralogía fue fundad ya en la época del Renacimiento. A la descripción hecha en 1611 por J. Kepler (1571-1630) de los copos de nieve y la explicación de su forma por la disposición correcta de las diminutas partículas esféricas le sigue el descubrimiento en 1669, por el danés N. Stensen (1638-1686), de la ley de la constancia de los ángulos de las caras realizado sobre cristales de cuarzo y hematites, la cual fue confirmada sólo un siglo después por M.V. Lomonósov en 1763, y luego en 1772 por Romé de l’Isle (1736-1790), quien elaboró la teoría de la estructura de los cristales y estableció la ley de las relaciones racionales de los parámetros, puso comienzo a la corriente cristalográfica y mineralógica en la mineralogía, cuyo desarrollo condujo a la separación de una ciencia independiente, la cristalografía. Con el descubrimiento en 1809 por el mineralogista inglés G.H. Wollaston del goniómetro monocircular instrumento de medición con forma de semicírculo o círculo graduado en 180º o 360º, utilizado para medir o construir ángulos. Este instrumento permite medir ángulos entre dos objetos) comenzaron las mediciones sistemáticas de los cristales de los minerales.

Para comienzos del siglo XIX, la mineralogía se hace totalmente una disciplina científica independiente y entra, gracias al desarrollo de las investigaciones cristalomorfológicas y químicas, así como la perfección de los métodos de estudio de las propiedades físicas de los minerales, en una nueva etapa de su desarrollo. La corriente física en la mineralogía sufre a principios del siglo XIX unos cambios esenciales. De las características cualitativas de los minerales se pasa a la medición de sus propiedades físicas. Tuvo una gran difusión la escalas de dureza de 10 grados introducida en 1822 por F. Mohs. Se estudian las propiedades térmicas, elásticas, eléctricas y magnéticas de los minerales. Desde mediados del siglo XIX comienza el estudio de las propiedades ópticas con ayuda del microscopio polarizado inventado en 1858 por el inglés Sorby. El estudio especializado microscópico de las rocas, desarrollado luego en gran escala, condujo a la separación de la mineralogía de una ciencia aparte, la petrología. Hacia finales del siglo XIX comienza el estudio de la luminiscencia y más tarde de la radioactividad de los minerales. La corriente química en la mineralogía, que tiene sus raíces en la alquimia medieval, se formó bajo la influencia del desarrollo rápido de la química entre los siglos XVIII-XIX. Precisamente en este periodo fue establecida la composición química de varios minerales, entre los cuales se descubrió más de dos decenas de elementos químicos antes desconocidos, tales como el cobalto, el níquel, el cromo, el manganeso, el molibdeno, el tungsteno, etc. Al principio se establecen las nociones de que para los minerales es característica una determinada composición química constante. Sin embargo, más tarde se descubrió una amplia variabilidad de la composición química propia de varios minerales. A las tentativas de la creación de la clasificación de los minerales sobre la base química se oponía a principios del siglo XIX la escuela de autoridad de la Academia de minas de Freiberg. La clasificación física de los minerales propuesta por Werner cedió el lugar a la clasificación química sólo después de haber separado J. Berzelius (1826) entre los minerales de clases óxidos, silicatos, sulfatos, halógenos, carbonatos y otras sales. Este principio de sistematización, con diferentes complementos y precisiones, sigue siendo en lo posterior el principal en todas las clasificaciones de los minerales hasta la actualidad. También sobre la base química se desarrollaban en la mineralogía las primeras nociones científicas sobre el procedimiento a la génesis de los minerales, que se apoyaban sobre las investigaciones detalladas de las transformaciones pseudomórficas de los minerales y los experimentos para obtener los análogos sintéticos de los minerales. Una gran influencia sobre el desarrollo de las ideas genéticas en la mineralogía causaron los éxitos de la química coloidal y física. Para la etapa moderna del desarrollo de la mineralogía es característica la realización de las investigaciones en diferentes aspectos teóricos y aplicados. Al estudio profundizado de la mineralogía de diferentes tipos genéticos de yacimientos están dedicadas las obras de varios científicos, quienes estudiaron detalladamente diferentes minerales, descubrieron no pocos nuevos,

incluso útiles para la industria, compusieron informes sobre los minerales de elementos aislados y de la mineralogía de diferentes tipos de yacimientos de minerales útiles. La corriente físico-química en la mineralogía se desarrolla a base del estudio de las asociaciones de los minerales naturales y el análisis teórico de los equilibrios minerales. Tuvo un gran desarrollo la simulación de los procesos endógenos y exógenos de la formación de minerales, la síntesis de minerales, el estudio de la composición y el estado de agregación de las inclusiones, la determinación de las constantes termodinámicas de los minerales. La corriente física en la mineralogía está basada en los logros de teóricos y metódicos de las ciencias físicas, sobre todo de la física del sólido, la espectroscopia óptica de resonancia y la microscopía electrónica. Las investigaciones en esa dirección profundizaron esencialmente las nociones de la composición interior de los minerales y permitieron descifrar la naturaleza de las propiedades físicas de los minerales. Desde hace ya décadas, se presta gran atención a las investigaciones mineralógicas aplicadas como la mineralogía de prospección y tecnológica. A base de la teoría sobre el tipomorfismo de los minerales se elaboran los métodos mineralógicos de las prospecciones y los criterios de la mineralización, se realizan las investigaciones mineralógico-tecnológicas de las menas a fin de utilizar de manera total y compleja la materia prima mineral y la protección del medio ambiente. En Geología no se utiliza la palabra piedra. Siempre hablaremos de minerales y rocas. Roca: es el material formado como consecuencia de un proceso geológico y puede estar formada por uno o varios minerales. Mineral: denominamos así a un material de la corteza terrestre caracterizada por su composición química y su estructura interna. Roca y mineral designan realidades muy diferentes. En Geología no utilizaremos nunca la palabra "piedra", pues lo que llamamos así pueden ser dos tipos Un mineral es una sustancia sólida, natural, inorgánica, con una composición química fija (dentro de unos límites) y estructura cristalina (con sus átomos ordenados). Una roca es un agregado natural de uno o más minerales. Es un material formado como consecuencia de un proceso geológico como volcanes, sedimentación, transformaciones de otras rocas, etc. Por tanto una sustancia para ser un mineral tiene que cumplir las siguientes condiciones: ● Sólido: ningún líquido puede ser un mineral. ● Natural: los diamantes y gemas artificiales obtenidos en laboratorio no son minerales. ● Inorgánico: no debe formar parte de un ser vivo. ● Composición química fija: si varía a lo largo de la sustancia no es un mineral. ● Estructura cristalina: tiene que tener sus átomos ordenados. Las sustancias amorfas (sin orden interno), como la obsidiana, no son minerales. Las rocas son agregados de uno o más minerales. Por tanto, pueden existir rocas como la caliza o el mármol que estén formadas por un solo tipo de mineral, la calcita. En este caso hablaremos de rocas mono minerales. Más frecuentemente, las rocas están formadas por varios minerales. La

composición mineralógica y la disposición de los minerales (textura) van a ser determinantes en su identificación. Las rocas se clasifican según el proceso que las originó y no su composición química. Rocas de similar composición, como la caliza y el mármol (carbonato de calcio) o las areniscas silíceas y las cuarcitas (dióxido de silicio), se clasifican como sedimentarias (la caliza y la arenisca) o metamórficas (el mármol y la cuarcita) atendiendo a su proceso de formación. Los minerales Propiedades de los minerales Las propiedades de los minerales nos permiten diferenciar minerales distintos. Identificar las propiedades de un mineral nos puede permitir reconocerlo, saber su composición y su utilidad sin necesidad de realizar análisis químicos. Los minerales, como sustancias puras, presentan unas propiedades medibles y constantes. Algunas propiedades pueden variar entre diferentes muestras. Pero en muchas ocasiones un par de propiedades nos permiten identificar un mineral. LAS PROPIEDADES FÍSICAS Las propiedades físicas de los minerales son fundamentales para su identificación. Algunas de las más importantes pueden determinarse mediante simple inspección ocular (visu) o mediante ensayos muy sencillos. Todas las características de los minerales dependen de su composición química y estructura, en la que ejercen una gran influencia las contaminaciones, mezclas y defectos estructurales que posea cada ejemplar en concreto. Las propiedades físicas más importantes son la densidad, las propiedades magnéticas, las propiedades eléctricas y la forma o hábito. DENSIDAD La densidad es la relación entre la masa de un mineral y el volumen que ocupa. Se suele expresar en g/cm3. Se consideran: ligeros con densidades inferiores a 2,5 g/cm3, normales entre 2,5 y 4 g/cm3 y pesados los superiores a 4 g/cm3. La densidad es un dato de gran fiabilidad para la determinación de los minerales. PROPIEDADES MAGNÉTICAS Es una propiedad relacionada con el contenido en hierro (Fe) de un mineral. Cuando los minerales son fuertemente atraídos por un imán se denominan ferro magnético como la magnetita. Algunos minerales son atraídos débilmente y se les denomina paramagnético como la hematites y la siderita. Cuando no son atraídos se denominan diamagnéticos como el azufre y el cuarzo. PROPIEDADES ELÉCTRICAS La conductividad es la facilidad de un mineral para transmitir la corriente eléctrica. Los metales nativos, los sulfuros y los óxidos metálicos son buenos conductores pero la mayoría de los minerales son malos conductores. Algunos cristales cuando se someten a variaciones térmicas se cargan de electricidad en algunas caras, el fenómeno se conoce como piroelectricidad (la turmalina). Algunos minerales al estar sometidos a presión adquieren cargas eléctricas de signo

contrario en sus extremos. El fenómeno se conoce como piezoelectricidad. Así, el cuarzo es capaz de generar chispas cuando es golpeado. FORMA O HÁBITO. El hábito cristalino describe el aspecto y forma que presentan los minerales. El hábito se encuentra determinado por las condiciones ambientales de formación y es reflejo de la estructura cristalina. Un mismo mineral puede aparecer bajo hábitos diferentes. PROPIEDADES ÓPTICAS Son propiedades que se producen al incidir la luz sobre un mineral. Vamos a estudiar el brillo, la transparencia, el color, la luminiscencia, y la doble refracción. Brillo: es una propiedad que describe el aspecto que presenta la superficie de mineral cuando refleja la luz. El brillo no tiene relación alguna con el color del mineral. El brillo de un mineral puede ser vítreo, metálico, adamantino y sedoso entre otros. Transparencia: los minerales, según permitan el paso de la luz, se pueden clasificar como: • Transparente: puede apreciarse con nitidez la forma de un objeto situado detrás. • Translúcido: deja pasar luz pero no se aprecian las formas. • Opacos: los cristales impiden totalmente el paso de la luz. Color: Es el color que presenta el mineral. Puede ser determinante en algunos minerales como la azurita (azul), olivino (verde oliva), azufre (amarillo), malaquita (verde)... Luminiscencia: algunos minerales, como la fluorita, emiten luz al ser iluminados con luz ultravioleta. Doble refracción: algunos minerales, como la calcita, desvían la luz formando una doble imagen. PROPIEDADES MECÁNICAS La dureza es la resistencia que ofrece la superficie de un mineral a ser rayada. Depende de la estructura (cuanto mayores sean las fuerzas de enlace, mayor será la dureza). Para cuantificar la dureza se utiliza la escala de Mohs que toma como referencia 10 minerales y sus durezas relativas. En laboratorios escolares o el campo es frecuente determinar la dureza rayando el mineral de forma sucesiva con la uña, vidrio y cuarzo: Fractura. La rotura de un mineral a lo largo de una superficie irregular se denomina fractura. Existen también diversos nombres para designar las diferentes clases de fractura: concoidea (en forma de conchas), fibrosa o astillosa. La fractura concoidea es típica del sílex, la variedad microcristalina del cuarzo. La exfoliación es la propiedad por la que un mineral se rompe a favor de alguna de sus caras planas, en láminas como las micas, romboedros en la calcita o cubos en la galena. Esta propiedad está íntimamente ligada a la estructura cristalina.

Para describir otras propiedades mecánicas de los minerales se emplean términos como los siguientes: TENAZ: la tenacidad es la resistencia que opone un mineral a la rotura o deformación. No tiene ninguna relación con la dureza (el diamante es el mineral más duro que existe pero se puede romper con facilidad). FRÁGIL: el mineral se rompe con facilidad y se hace trozos con poco esfuerzo. MALEABLE: el Mineral se lamina mediante golpes (oro). DÚCTIL: el mineral puede estirar en forma de un hilo (oro). FLEXIBLE: cuando el mineral es doblado y no recupera su forma al cesar el esfuerzo. ELÁSTICO: cuando el mineral es doblado, recupera su forma al cesar el esfuerzo (micas). PROPIEDADES QUÍMICAS: Miden la capacidad de reaccionar con otras sustancias. Algunas propiedades químicas pueden ser percibidas por los sentidos como sabor (solubilidad) y olor (contenido en azufre). eacción con ácidos: la calcita reacciona con el ácido clorhídrico y se descompone desprendiendo dióxido de carbono. Solubilidad: formación de una disolución en agua, como el yeso. Algunos minerales solubles poseen sabor salado, como la halita y la silvina. Radiactividad: emisión de partículas atómicas, como la uraninita. La clasificación de los minerales Los minerales se clasifican atendiendo a su composición química. Ya vimos que la composición y la estructura determinaban muchas de las propiedades del mineral. Aunque son muchos grupos, uno solo, los silicatos, constituye la mayor parte de las rocas terrestres. Los minerales se clasifican por su composición química, recibiendo las clases en las que se ordenan el nombre del tipo de compuesto químico. Elementos nativos: formados por un solo elemento químico. Ejemplos son el oro, la plata, el platino, el azufre, el diamante y el grafito. Halogenuros: son sales como la halita, que es la sal que utilizamos en los alimentos. Otras sales son la silvina y la fluorita. Óxidos: se combinan metales con oxígeno. Ejemplos son la magnetita y hematites (óxidos de hierro), y corindón (de aluminio). Sulfuros: combinaciones de azufre y un metal. De este grupo son la pirita (de hierro), la galena (de plomo) o el cinabrio (de mercurio).

Carbonatos: minerales como calcita y dolomita forman las rocas carbonatadas. Otro de interés es la siderita (mena de hierro). Sulfatos: el más abundante es el yeso. Otros sulfatos son la anhidrita y la baritina. Silicatos: son los minerales más abundantes. Destacan el cuarzo, los feldespatos, las micas (moscovita y biotita), el olivino y los granates. La utilidad de los minerales Los minerales son materias primas para el ser humano. Muchas de sus actividades dependen de los minerales. La minería es la técnica que se ha desarrollado para extraer minerales. De los minerales y de las rocas obtenemos muchas de las materias primas que utiliza el hombre. Estos minerales útiles o minerales de interés económico los podemos clasificar como: Para obtener los minerales el ser humano ha desarrollado un serie de técnicas que reciben el nombre de minería. Una mina es una obra que se hace para extraer minerales. Las minas pueden ser subterráneas o a cielo abierto. La minería subterránea tiene un coste mayor (humano y económico) que la minería a cielo abierto. Las condiciones en el interior de la mina causan enfermedades pulmonares y los accidentes son frecuentes. La minería subterránea en los países industrializados está muy mecanizada. Esta máquina extrae el mineral a la vez que entiba (sujeta) el techo de la mina. Para subir el mineral y los mineros a la superficie, se utilizan elevadores que son izados por estos castilletes. En zonas mineras son elementos característicos del paisaje. La minería a cielo abierto, es más segura para los mineros, puesto que requiere menos personal y permite una mayor mecanización. Por contra, el área afectada por la explotación y el volumen de residuos son mucho mayores. Pero a veces tampoco nos hacemos una ideal del tamaño de las minas a cielo abierto. Esta es una de las más grandes de España: Corta Atalaya, en el distrito minero de Ríotinto (Huelva). Cuando vemos las máquinas mineras en un museo, no nos podemos hacer una idea de su tamaño real. Las rocas El ciclo de las rocas El ciclo de las rocas ilustra las posibles transformaciones de unas rocas en otras y nos muestra los procesos geológicos que originan los diferentes tipos de rocas: sedimentarias, metamórficas y magmáticas. Las rocas sedimentarias se forman en zonas bajas del planeta en las que se acumulan grandes cantidades de sedimentos: las cuencas sedimentarias. Los sedimentos allí acumulados sufren un proceso de litificación (transformación en rocas). En las rocas sedimentarias es frecuente la acumulación de restos de seres vivos que, tras su litificación, se transforman en fósiles. Posteriormente estas rocas pueden sufrir grandes cambios a causa del aumento de la presión y de la temperatura en un proceso denominado metamorfismo. Las rocas así originadas se denominan rocas metamórficas. Las rocas al sufrir

aumento de temperatura pueden fundir originando magma (roca fundida) que tiende a ascender al ser menos denso que las rocas circundantes. Al ascender y enfriarse pueden solidificar originando rocas magmáticas. Si solidifican en el interior se denominan rocas intrusivas. Y si solidifican al ser expulsadas al exterior se les denomina rocas extrusivas o volcánicas. La erosión y el transporte van a ir reduciendo los relieves. Los cambios en el nivel del mar pueden hacer aparecer cuencas sedimentarias. En las cuencas sedimentarias se acumulan los sedimentos que sufren litificación y se transforman en rocas sedimentarias. ¿No se parece al comienzo? El ciclo de las rocas no tiene fin.

Las rocas La clasificación de las rocas Como has visto en el ciclo de las rocas, existen tres tipos de rocas sedimentarias, metamórficas y magmáticas. El proceso geológico que las forma es el criterio de clasificación de las rocas. Las rocas formadas por la litificación (compactación y cementación) de sedimentos reciben el nombre de rocas sedimentarias. Siempre vamos a encontrar huellas que nos permiten reconstruir su historia. Las rocas sedimentarias se clasifican en: Rocas detríticas: formadas por fragmentos de otras rocas. Se clasifican según el tamaño de los fragmentos que las forman en conglomerados (gruesos), areniscas (medios) y arcillas (finos). Las rocas La clasificación de las rocas Rocas químicas: la acumulación de material sobre la superficie es producto de una reacción química. Según el tipo de reacción se forman varios tipos de rocas: carbonatadas, como las calizas, o evaporíticas como el yeso o la sal gema. Rocas orgánicas: a veces los seres vivos forman rocas gracias a la acumulación de sus restos. Hay dos tipos de rocas formadas por restos de seres vivos y con gran interés económico: El petróleo se forma por la acumulación de plancton marino en el fondo de los océanos. El carbón se forma a partir de restos vegetales acumulados en zonas continentales. Las rocas magmáticas se forman cuando un magma llega a la superficie terrestre y solidifica. Las que solidifican en el interior se denominan intrusivas, como el granito. Las que solidifican en el exterior se denominan volcánicas, como el basalto. Si una roca es sometida a grandes presiones y grandes temperaturas sus minerales se transforman, creándose una nueva roca. A estas rocas las llamamos rocas metamórficas, siempre que la roca no se haya llegado a fundir (en ese caso se habría formado un magma). Si una arcilla sufre metamorfismo, las presiones crecientes en el interior de la corteza la van a transformar en otras rocas como la pizarra, posteriormente en esquisto y, si continua el metamorfismo, por último en gneis. En el caso de una roca caliza el metamorfismo originará un mármol. Las rocas La utilidad de las rocas El ser humano ha utilizado las rocas como materia prima desde su aparición como especie, primero como utensilio, posteriormente para construir sus viviendas y más recientemente como elemento ornamental por su belleza y como fuente de energía. Las

rocas han sido una de las primeras materias primas que el ser humano aprendió a utilizar. Actualmente su uso sigue siendo básico en muchos sectores económicos. Rocas de interés industrial: muchas de ellas se utilizan en construcción como arenas y conglomerados para hormigón, caliza para la fabricación del cemento, arcillas para la fabricación de ladrillos y escayola, yeso... Algunas, como las sales, se utilizan como compuestos químicos en la industria. Rocas ornamentales: además del mármol se utilizan otras rocas como el granito, basalto, pizarra, calizas, etc. En muchos de nuestros suelos y cocinas podemos encontrar muestras de estas rocas. Rocas energéticas: son básicamente el carbón y el petróleo. Aunque el petróleo no es sólido, su importancia hace que se clasifique como roca. El término “mineralogía” etimológicamente procede del latín “minera” que significa mena y fue introducido en 1636 por el científico italiano Bernardo Cesio. La cristalografía es la ciencia que estudia las estructuras cristalinas. Su etimología proviene del griego Kristallos que significa cristal. Por otra parte, la cristalografía también se encarga del crecimiento, de la forma y de la geometría de los cristales. Los griegos ya determinaron el hielo como un cristal. Los minerales cristalizan de una forma determinada, es decir, que cuando las condiciones son favorables, cada elemento químico contenido en un fluido tiende a cristalizar en una forma característica. Por ejemplo, la sal normalmente suele formar cristales cúbicos, mientras que el granate suele aparecer con más frecuencia en forma de cristales dodecaedros, 12 caras, o cuerpos de 24 caras, y a veces también puede aparecer en forma de cristales cúbicos. En la mayoría de casos, los minerales, a pesar de sus diferentes formas de cristalización, cristalizan siempre con una misma clase y sistema. Teóricamente se pueden encontrar treinta y dos clases diferentes de estructuras cristalinas, pero en la realidad sólo alrededor de 12 estructuras son las que se encuentran comúnmente. Las treinta y dos clases se agrupan en seis sistemas cristalinos, caracterizados por la longitud y posición de sus ejes. Los minerales que comparten un mismo sistema comparten muchas características similares de simetría y forma cristalina, así como muchas otras propiedades importantes. La cristaloquímica estudia la relación entre la composición química, la disposición de los átomos y los enlaces entre éstos que determinarán la fuerza con la que están unidos. Esta relación determina las propiedades físicas y químicas de los minerales. Los átomos del cristal se estructuran de una determinada manera cuya disposición de puede conocerse por el método de difracción de rayos X, es decir, se analizan los patrones de difracción de una muestra cristalina al irradiarla con un haz de rayos X. La estructura cristalina también se puede estudiar mediante la microscopía electrónica. Cómo antes se ha mencionado los átomos se estructuran de una manera determinada, siendo ésta en redes basadas en la repetición tridimensional de sus

componentes. De esta repetición surge la célula o celda cristalina. La clasificación de los cristales se interpreta según sean las propiedades de simetría de la celda. Estas propiedades de simetría también pueden también observarse a nivel de visu (microscópicamente) de los cristales, en el momento en que empecemos a notar formas geométricas o planos de fractura. El estudio de la cristalografía depende casi en su totalidad de un cierto conocimiento delgrupo de simetría. El empleo de estas celdas nos facilita la caracterización de las estructuras cristalinas, limitando a tan solo 7 las diferentes estructuras. Por otra parte, los materiales al estar formados por átomos nos encontramos ante la necesidad de saber cómo se agrupan estos dentro de las celdas. Para conseguir este objetivo hay que considerar una entidad que represente al átomo o a un grupo de éstos, a la que se denomina punto reticular. El siguiente paso es buscar todas las posibilidades que hay de colocar puntos reticulares en cada uno de los siete sistemas cristalinos, de forma que cada punto reticular esté rodeado del mismo número de puntos reticulares y estos se sitúen en las mismas posiciones. Las combinaciones, están también limitadas a 14, a las que se denominan redes de Bravais En el ámbito de la cristalografía, las Redes de Bravais son una disposición infinita de puntos discretos cuya estructura es invariante bajo traslaciones. En la mayoría de casos también se da una invariancia bajo rotaciones o simetríarotacional. Estas propiedades hacen que desde todos los nodos de una red de Bravais se tenga la misma perspectiva de la red. Se dice entonces que los puntos de una red de Bravais son equivalentes. Mediante teoría de grupos se ha demostrado que sólo existe una red de Bravais unidimensional. La red unidimensional es elemental siendo ésta una simple secuencia de nodos equidistantes entre sí. En dos o tres dimensiones las cosas se complican más y la variabilidad de formas obliga a definir ciertas estructuras patrón para trabajar cómodamente con las redes. Las celdas de un cristal presentan unos elementos básicos de simetría. El primero es el eje de simetría que es una línea imaginaria que cruza a través del cristal, alrededor de la cual, al realizar éste un giro completo, repite dos o más veces el mismo aspecto. El segundo elemento es el plano de simetría, que al igual que el eje, es un plano imaginario que divide el cristal en dos mitades simétricas especulares dentro de celda. Puede haber muchos planos de simetría. Por último, existe el centro de simetría, que es un punto dentro de la celda que al juntarlo con cualquier otro punto de la superficie, repite al otro lado del centro y a la misma distancia, otro punto similar. Las agrupaciones de los elementos de simetría son 32 y a éstos elementos corresponden muchas más clases cristalinas. Todos los cristales se pueden clasificar

dentro de estas 32 clases que, a su vez, se reagrupan en 7 sistemas que son el cúbico, tetragonal, hexagonal, trigonal o romboédrico, rómbico, monoclínico o triclínico que tienen las siguientes características: Sistema cúbico: Sus cristales tienen nueve planos de simetría y trece ejes, tres de ellos cuaternarios, cuatro ternarios y seis binarios. Hay muchos minerales que cristalizan en este sistema, entre ellos, por ejemplo, la galena, la sal común o la fluorita, de las que se encuentran con frecuencia grupos de cristales cúbicos. La pirita, sulfuro de hierro, cristaliza también en este sistema, formando cubos, dodecaedros pentagonales o combinaciones de ambas formas. Sistema monoclínico: Sólo tiene un plano de simetría y un único eje binario. A este sistema pertenece, por ejemplo, el yeso puede formar curiosas maclas, con frecuencia en punta de flecha. También pertenece a este sistema la ortosa, y otros minerales. Sistema triclínico:Dentro de este sistema se encuentran los cristales bastante asimétricos que carecen de planos y de ejes de simetría. Los minerales que pertenecen a este sistema no suelen ser muy comunes. Sistema romboédrico o trigonal: Durante mucho tiempo fue considerado como parte del sistema exagonal, porque sus formas pueden ser consideradas como derivaciones de aquél, pero tiene como clara diferencia la posesión de un eje de simetría ternario. Son cristales con las caras romboédricas, de trapecios o de triángulos escalenoédricos. Los minerales que cristalizan en este sistema es el cuarzo, muy en la corteza terrestre, que forma prismas como los que se ha descrito. La calcita cristaliza en el sistema trigonal, adoptando la forma de romboedro o de escalenoedro. También cristalizan en este sistema las turmalina. Sistema rómbico: Tiene tres planos de simetría y tres ejes, siendo los tres binarios, desiguales y perpendiculares entre sí. Entre los minerales que pertenecen en este sistema está, por ejemplo, el azufre, la baritina, etc. Sistema tetragonal: Los cristales poseen cinco planos de simetría, un eje cuaternario y cuatro binarios, éstos perpendiculares a aquél. Se ha llamado también sistema cuadrático porque en sus formas más típicas, que son el prisma tetragonal y la pirámide tetragonal, cualquier sección paralela a los radios binarios es perfectamente cuadrada. Cristalizan en este sistema, por ejemplo, el circón, la casiterita, etc. Sistema hexagonal: Los cristales que pertenecen a este sistema se caracterizan por tener siete planos de simetría, un eje senario y seis ejes binarios. Tiene formas holoédricas típicas como son el prisma hexagonal, la pirámide hexagonal, el prisma y la pirámide dihexagonal. Unos

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ejemplos de minerales son el berilo, entre otros, y como curiosidad, el agua cuando se solidifica constituyendo la nieve, cristaliza también en este sistema, bajo el aspecto de cristales microscópicos hexagonales formando maclas muy pequeñas siempre hexagonales. Así pues, un mineral es una sustancia natural de carácter inorgánico, que posee una estructura atómica definida de elementos químicos de los cuales está formado, dando lugar al crecimiento de superficies planas o caras, pero si dicho mineral se ha podido desarrollar en condiciones ideales y sin impedimentos, podremos apreciar que se ha desarrollado siguiendo el patrón de conocidas y no tan conocidas formas geométricas. Ahora es cuando se le puede llamar cristal a dicha formación. También tienen una estructura química definida. El crecimiento de un mineral viene marcado por una serie de condiciones tales como: Presión: cada mineral es diferente de otro así que se solo se formará en ciertos intervalos de presión. Contenido: es la base del mineral. Se tiene que dar cierta concentración de elementos químicos para que se forme ya que de lo contrario no lo hará. Temperatura: es como la presión. Si no está dentro de cierto intervalo de temperatura el mineral no crecerá. Espacio: Un mineral casi siempre puede cristalizar. Otra cosa es que nos de formas geométricas cristalinas o mineral masivo. Dependerá del espacio que tenga el fluido rico en mineral a cierta temperatura y presión para que desarrolle una forma. Tiempo: esencial. Un mineral en condiciones naturales, aparte de la halita (sal común) y otros minerales, tiende a tardar muchos años, miles incluso millones para llegar a formar cristales. Depende del tiempo pues, si un mineral es pequeño de tamaño o grande. Un mineral no tiene porqué dar una forma geométrica definida. Puede que las condiciones de crecimiento no hayan sido las ideales, entonces diremos que este mineral es masivo. Luego hay minerales que no tienen una estructura cristalina definida, como el ópalo, que se dice que tiene estructura amorfa, donde los elementos que la componen se sitúan en el espacio de forma muy desordenada. Los minerales que sí tienen estructura cristalina definida y forman cristales se los agrupa por hábitos como por ejemplo: Tabular: Crecimiento por capas. Ejemplo: Biotita Acicular: Cristales muy delgados, como agujas. Ejemplo: Millerita Prismático: Forma de prisma regular. Ejemplo: Elbaita (var. Turmalina) Radial: Cristales que crecen formando un abanico con un mismo centro. Ejemplo: Wavellita Arborescente: Forma parecida a un árbol. Ejemplo: Oro nativo. Dendrítico: Crecimiento en forma de rama o plantas en fisuras. Ejemplo: Pirolusita.

● Filiforme: Con forma de hilo. Ejemplo: Plata nativa ● Reniforme: La formación que hacen es arriñonada y redondeada. Ejemplo: Goethita ● Coraloide: Forma que nos recuerda a las formas coralinas. Ejemplo: Aragonito coraloide. ● Botroidal: Formas globulares agrupadas. Ejemplo: Malaquita. ● Globular: Cristales con forma esférica. Ejemplo: Fluorita globular de India. ● Fibroso: Forma fibras paralelas, separables con poca presión. Ejemplo: Alabastro (var. fibrosa de yeso)

PROPIEDADES FÍSICAS Las propiedades de los minerales se relacionan con su estructura. Una propiedad escalar no depende de la estructura interna del mismo, como la densidad o el punto de fusión. Una propiedad vectorial es la que varía según la dirección, que depende de la estructura cristalina. Un ejemplo de propiedad vectorial es la dureza, el color o la fractura. Según estas propiedades, se distinguen dos tipos de minerales: ● Isótropo: Todas sus propiedades se manifiestan con igual intensidad en todas direcciones. ● Anisótropo: Sus propiedades dependen de la dirección o cambian con ella. PROPIEDADES MECÁNICAS

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Tenacidad Propiedad mecánica donde el mineral opone mucha resistencia a romperse o deformarse. Frágil: Se rompe, es débil. Con facilidad se hace pedazos. Ejemplo: Diamante Maleable: Se puede estirar batir y extender en planchas o láminas, dándole forma sin romperlo. Ejemplo: Oro. Dúctil: Mecánicamente se puede extender en alambres o hilos. Ejemplo: Cobre. Flexible: Tienen disposición para doblarse fácilmente sin poder recuperar la forma original. Ejemplo: talco. Elástico: Puede recobrar más o menos completamente su forma y extensión tan pronto como cesa la acción que las alteraba. Ejemplo: Mica. Dureza Es la resistencia que ofrece la superficie de un mineral a ser rallada. Actualmente nos guiamos por la Tabla de Durezas de Mohs para clasificar los minerales según su dureza: Fractura

Es la manera en que un mineral se rompe cuando no tiene exfoliación. Puede tener el mineral exfoliación en ciertos planos, pero en otros no, así que se verá el tipo de fractura que tiene. Hay diferentes tipos de fractura como: ● Concoide: Es aquella que, en los fragmentos obtenidos como consecuencia de la rotura, tiene superficie cóncava o convexa bien definida. Ejemplo: Cuarzo, Obsidiana. ● Astillosa: Es aquella que, en los fragmentos obtenidos como consecuencia de la rotura, tiende a dejar astillas o fibras. Ejemplo: Plata nativa. ● Ganchuda: Es aquella que, en los fragmentos obtenidos como consecuencia de la rotura, tiende a dejar una superficie irregular, puntiaguda. Ejemplo: Oro nativo. Exfoliación La exfoliación es la tendencia de un mineral a romperse según planos paralelos, debido a la existencia de planos con enlaces débiles. En la estructura cristalina de los minerales algunos enlaces son más débiles que otros, como en el caso de la mica, que su disposición de los átomos sigue una disposición laminar, donde cada átomo está unido mediante enlaces fuertes con los átomos vecinos del mismo plano y con enlaces débiles con los átomos cercanos de los planos vecinos. Cuando el mineral se somete a tensión, tienden a romperse los enlaces débiles de un mismo plano, de modo que el mineral se rompe en láminas. No todos los minerales tienen planos definidos de exfoliación, pero los que los poseen pueden ser identificados por las superficies lisas distintivas que se producen cuando se rompe el mineral. Los tipos de exfoliación más habituales son: -Cúbica (Halita, Galena), Octaédrica (Fluorita), Romboédrica (Calcita, Dolomita), Laminar (Yeso, Mica)

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PROPIEDADES ÓPTICAS Color Un mineral no se puede clasificar según el color de éste, pues el color no es un elemento identificativo. Puede que sea característico en el mineral pero no identificativo. A su vez, el color real de cada mineral lo podemos ver según su ralla, rallando éste con el utensilio adecuado según su dureza en la escala de Mohs. Brillo El brillo de un mineral es la apariencia que muestra la superficie de este cuando se proyecta y refleja luz blanca sobre ella. La superficie tiene no puede estar alterada porqué si no ya no vale la siguiente clasificación de brillos: Mate: No tiene brillo. No metálico: Es el típico en minerales transparentes, que a su vez se puede subclasificar en: Adamantino: Se nombra así por el parecido con el brillo del diamante. Ejemplo: Cerusita, cinabrio. Vítreo: Es el brillo más común, simplemente significa que tiene el mismo brillo que el vidrio. Ejemplo: Cuarzo, calcita, fluorita.

● Nacarado: Es un brillo irisado que se conserva, similar al de las ostras y perlas. Ejemplo: Biotita, Micas en general. ● Resinoso: Es un brillo similar al de la resina o pegamento. Ejemplo: Rejalgar. ● Sedoso: Es un brillo parecido al de la seda. Ejemplo: Sillimanita, yeso, malaquita. ● Céreo: Brillo parecido al de la cera. Ejemplo: Talco. ● Submetálico: Brillo metálico pobre, opaco aunque reflectando una cantidad baja de luz. Ejemplo: Grafito, covellina. ● Metálico: Es el brillo que normalmente tienen los minerales opacos y con raya negra. El brillo es el característico de los metales. Ejemplo: Galena, Pirita, Oro, Plata. Birrefringencia La birrefringencia o doble refracción es una propiedad de ciertos minerales, como la calcita en su variedad de Espato de Islandia, de desdoblar un haz de luz incidente en dos haces linealmente polarizados perpendiculares entre sí como si el material tuviese dos índices de refracción diferentes. Luminiscencia Es la capacidad que tienen algunos minerales de emitir luz. La fluorescencia es la propiedad de un mineral para emitir luz cuando se expone a radiaciones ultravioletas, rayos catódicos o rayos X. Las radiaciones absorbidas no son visibles por el ojo humano, se transforman en luz visible a una mayor longitud de onda a la incidente. En el proceso, una molécula absorbe un fotón de alta energía el cual se emite como un fotón de baja energía. La diferencia de energía entre absorción y emisión se disipa en forma de calor. El proceso es muy corto (milésimas de segundo) y este tiempo es la diferencia principal con otro fenómeno conocido como es la fosforescencia, que es cuando la luminiscencia sigue aún después de la exposición del mineral. PROPIEDADES ELÉCTRICAS Conductividad Dependiendo del tipo de enlace atómico que poseen ciertos minerales. Los mejores conductores de la electricidad, presentan enlace metálico, como el cobre, plata u oro. Hay veces que los enlaces no son metálicos sino que tienen cierto carácter metálico, se les llama semiconductores. Ejemplo: Galena. Luego están los minerales con enlace covalente y compuestos iónicos como el diamante y la fluorita respectivamente. Piezoelectricidad Es cuando un mineral produce una corriente eléctrica sometido a una variación de temperatura. Ejemplo: Turmalina PROPIEDADES MAGNÉTICAS

Magnetismo La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales ferromagnéticos como el hierro. Desde la antigüedad se ha visto la interacción entre el hierro y minerales como la magnetita con el campo magnético terrestre, de modo que el polo norte de un iman tiende a apuntar al polo sur de otro. En los minerales como la magnetita o la pirrotina se puede apreciar este efecto. DESARROLLO HISTORICO Los minerales y las rocas han acompañado a los seres humanos desde sus orígenes más tempranos y han sido sin duda la base sobre la que se ha construido su espectacular desarrollo. Pero ese mismo desarrollo ha convertido lentamente y para la mayoría de los ciudadanos, a este antaño sólido y visible ladrillo de su bienestar, en los cimientos invisibles de la sociedad moderna. Sin ellos, muchas de las cosas cotidianas desaparecerían y el hombre volvería, curiosamente, a la Edad de Piedra. Las rocas de construcción y las ornamentales, el vidrio, la cerámica (tejas, ladrillos, baldosas, porcelana), jabón, detergentes, filtros, fibras, pólvora, hierro, acero, dinamita, papel, cemento, escayola, cal, áridos, todos ellos se fabrican con minerales o rocas industriales. Pero también los ordenadores, mp4, las cámaras digitales, las bicicletas, los palos de golf, los coches, los aviones, los plásticos, los tejidos o incluso las lanzaderas espaciales y los satélites más modernos contienen minerales en forma de cargas activas o nuevos materiales, que, no sólo han mejorado el comportamiento de los modernos materiales utilizados, sino que también han reducido sus costes. El pedernal y los microchips tienen una cosa en común: la sílice, un compuesto versátil que sirve de hilo conductor de la historia de cómo los minerales han ayudado a la humanidad en convertirse en lo que hoy es. Este trabajo repasará la cronología del uso de los minerales en la fabricación de materiales desde los primero tiempos del remoto pasado hasta la actualidad, y dará una idea de lo que en el futuro el uso de los minerales puede traer a la humanidad. Los primeros acereros Como el hierro se corroe (es decir, se oxida) fácilmente, no se conservan piezas muy antiguas que sirvan para localizar a los primeros fundidores que supieron explotar los primeros minerales ferrosos. Los minerales ferrosos son mucho más abundantes en la Tierra que el hierro meteórico; sin embargo las técnicas para aprovecharlos son mucho más complicadas. Para aprovechar el hierro meteórico (procedente de aerolitos1) solamente hay que conformarlo a base de martillazos; incluso en algunos casos no hay necesidad de calentarlo. Los minerales ferrosos, por el contrario, son una mezcla de óxidos de hierro (mena) y una cantidad variable de otros compuestos (ganga), generalmente sin interés, de donde la separación del hierro no es nada fácil. Es probable que de manera accidental los antiguos descubrieran pequeños trozos de hierro en residuos de fogatas donde se quemó leña en abundancia en contacto con rocas de alto contenido férrico. Esto es concebible porque el hierro es el elemento que ocupa el cuarto lugar en abundancia en la corteza terrestre después del oxígeno, el silicio y el aluminio. La acción del

monóxido de carbono producido durante la combustión de la leña pudo haber servido para retirar el oxígeno de los óxidos de hierro. Por este mecanismo, las rocas se convertirían en piezas de hierro poroso, lo que actualmente se conoce como hierro esponja. Cuando el hierro esponja se encuentra al rojo vivo en contacto con las brasas, en los poros se acumula una escoria líquida que los antiguos eliminaban martillando al hierro esponja en un yunque (forja). Como producto se obtenía un hierro forjado bastante puro. Se conocen piezas muy antiguas cuyo contenido aleante era inferior al 0,1% y con menos del 3% de escoria atrapada en los poros. Hasta aquí los antiguos tenían hierro, pero no acero. Hay indicios de que alrededor del año 1200 a.C. ya se sabía cómo convertir la superficie del hierro forjado en acero. Una vez conformada un hacha de hierro forjado, por ejemplo, se empacaba en medio de carbón de leña molido. El conjunto se mantenía en un recipiente al rojo vivo durante varias horas para que el carbono de la leña se difundiera hacia el interior del hacha, 1 Meteorito de carácter pétreo formado principalmente por silicatos de magnesio y hierro Antecedentes históricos formando una capa dura de acero (aleación hierro + carbono) alrededor de una matriz de hierro. Evidentemente, si el hierro en los minerales está oxidado, debe eliminarse el oxígeno que contiene. Y qué mejor que el monóxido de carbono (CO), el cual presenta gran afinidad por el oxígeno debido a su estado semioxidado (lo que le confiere un carácter reductor) para convertirse en dióxido de carbono (CO2). Sin embargo, para los antiguos, que no sabían de la existencia del oxígeno ni entendían el concepto de elementos o reacciones químicas, el asunto resultaba mágico. Entre los antiguos, el hierro era considerado de origen celeste, sideral. Algunos pensaban que el cielo era una bóveda de donde se desprendían los meteoritos. Los herreros eran señores del fuego, brujos, chamanes, capaces de lograr una transmutación que hacía aparecer el material de los cielos en la Tierra. ¿Cómo localizar un mineral de hierro? Hoy en día, desde los satélites, se pueden rastrear a gran velocidad los recursos minerales de países enteros. Existen equipos de análisis que detectan los elementos presentes en las rocas, con precisión y velocidad sorprendentes. En ausencia de los equipos modernos, y de muchos que los precedieron, los antiguos estaban a merced del apoyo divino. Al mineral se le asociaba un comportamiento de animal, que se mueve, se esconde y siente atracción por algunos humanos y repulsión por otros, y se creía que el herrero estaba dotado de poderes mágicos que le permitían ir a la caza de minerales. La extracción de los minerales era vista como una alteración a un proceso de gestación. La madre Tierra, en sus entrañas, contenía embriones que en un futuro lejano se convertirían en hierro. Sólo un brujo, un señor del fuego, podía extraer ese embrión y trasplantarlo a una nueva matriz, el horno, donde se aceleraría el nacimiento del hierro. El hierro tuvo que librar una batalla importante antes de sustituir al bronce como material para la fabricación de herramientas y armas. Durante cerca de dos milenios, cerca del año 1200 a.C., las aleaciones basadas en el cobre, entre ellas el bronce, eran preferidas en lugar del hierro. De hecho, el bronce tenía propiedades superiores. Éste inicialmente se producía aleando cobre con arsénico, porque muchos minerales contenían estos dos elementos a la vez. El arsénico se agregaba al cobre, dando lugar a un material de resistencia superior que se ha caracterizado como "bronce natural". Más adelante, en lugar de arsénico se empleó el estaño

para producir el bronce. Antecedentes históricos El bronce es bastante más duro que el hierro esponja, de modo que por mucho tiempo este último fue poco atractivo. Además el bronce se podía fundir y vaciar en moldes a temperaturas relativamente accesibles (alrededor de los 1 000° C). Esto era imposible con el hierro esponja, que funde a 1 537° C. Algunos investigadores creen que el hierro sustituyó al bronce no debido a un avance en el proceso tecnológico, sino porque por alguna razón el bronce escaseó. Es concebible que el suministro europeo de estaño se haya interrumpido. De hecho, el cobre y el estaño son mucho menos abundantes en la corteza terrestre que el hierro y el carbono. El proceso de "aceración" del hierro surgió por la necesidad de contar con un material tan fuerte como el bronce. El efecto del carbono en el endurecimiento del acero se compara con el efecto del estaño en el cobre en la figura 1. Para tener una ventaja notoria sobre el bronce, los herreros tuvieron que ingeniárselas para introducir un 0,4% de carbono en el hierro, proceso nada fácil. Como ya se dijo antes, los herreros antiguos empacaban los objetos de hierro en polvo de carbón de leña y los metían en un horno para que el carbono se difundiera en el hierro. A temperaturas de 950° C se requerían nueve horas para formar una corteza de acero (con 0,5% de carbono) de 1,5 mm. de espesor alrededor de la pieza de hierro. Este proceso, con algunas variantes, todavía se emplea en la actualidad y se conoce como cementación. Al emerger la civilización de la Edad Media, todavía la cementación era el método más generalizado para convertir la superficie del hierro forjado en acero. Para introducir las capas de acero en el interior de una espada, por ejemplo, se tomaba una barra de hierro y se cementaba; luego se martilleaba hasta alcanzar el doble de su longitud inicial; se doblaba de modo que una mitad quedara encima de la otra y se martilleaba al rojo vivo hasta que soldaran las dos mitades, quedando en el interior una capa de acero. El proceso se repetía las veces deseadas. En sables japoneses se han encontrado varios miles de capas. Esto no quiere decir que el proceso anterior se tenga que repetir miles de veces: como las capas se multiplican exponencialmente al aumentar el número de dobleces, bastan 12 dobleces para lograr más de 4000 capas (212). Pero 12 dobleces cuestan mucho trabajo y energía. Cada cementación puede tomar una jornada de trabajo y grandes cantidades de carbón de leña. Los herreros europeos hacían solamente una o dos dobleces. Antecedentes históricos Figura 1. Curvas de la resistencia mecánica del bronce y del acero en función del contenido de estaño y de carbono respectivamente. Cuando el contenido de carbono en el acero supera el 0.4% se empieza a notar una ventaja sobre el bronce No fue sino hasta 1740 que el mundo occidental redescubrió el método del crisol para producir acero. Por esas fechas, un relojero y cirujano llamado Benjamin Huntsman tenía asombrados a sus competidores por la textura tan uniforme de sus aceros. Huntsman se cuidaba muy bien de guardar el secreto de su método, para que nadie, con excepción de él y sus ayudantes, lo conociera. Pero uno de sus competidores, vil y astuto, se valió del chantaje al espíritu humanitario. En una noche de tormenta fingió estar atrapado por la lluvia y pidió refugio en el taller de Huntsman. La tradición de la época imponía moralmente dar el refugio solicitado, de modo que Huntsman no se pudo negar. El espía se asombró de la simplicidad del proceso: Huntsman cementaba pequeños trozos de hierro y los fundía en un crisol. Al solidificar, el acero resultaba sumamente uniforme. La idea, sin

embargo, era más vieja de lo que el espía creía; el método del crisol para producir acero se practicaba en varios lugares del mundo desde tiempo inmemorial. Lo que entorpecía el avance de la tecnología en el acero era la oscuridad en la que se encontraba. En el siglo XVIII se desconocía el motivo por el cual el hierro forjado, el acero y el arrabio eran distintos. No fue sino 1820 cuando Kersten planteó que era el contenido de carbono la razón de sus diferencias. El primer método para determinar con precisión el contenido de carbono en el acero fue desarrollado en 1 831 por Leibig. Antecedentes históricos 1.1.2. La Revolución Industrial Antes de la Revolución Industrial, el acero era un material caro que se producía a escala reducida para fabricar armas, principalmente. Los componentes estructurales de máquinas, puentes y edificios eran de hierro forjado o fundiciones. Las fundiciones son aleaciones de hierro con carbono entre 2,5% y 5%. La aleación que contiene el 4,3% se conoce como "eutéctica2 " y es aquella donde el punto de fusión es mínimo, 1 130° C. Esta temperatura es mucho más accesible que la del punto de fusión del hierro puro, 1537° C (los chinos ya en el siglo VI de nuestra era, conocían y aprovechaban la composición eutéctica para producir fundiciones en hornos de leña. Eran hornos, mayores que los europeos y por su mayor escala podían alcanzar temperaturas superiores a los 1 150° C). El producto de estos hornos era una aleación líquida llamada arrabio que contenía abundantes impurezas. Por su baja temperatura de fusión, el arrabio servía como punto de partida para la fabricación de hierro fundido, al cual solamente se le debían eliminar las impurezas manteniendo un alto contenido de carbono. El arrabio, ya en estado sólido, servía también para producir hierro forjado. Usualmente se introducía, en lingotes, en hornos de carbón de leña dotados de sopladores de aire. El oxígeno del aire reaccionaba con el carbono y otras impurezas del arrabio formándose así escoria líquida y una esponja de hierro. El hierro esponja, casi puro, se mantenía sólido y la escoria líquida se removía a martillazos. La maquinaria básica para el conformado de piezas estructurales se desarrolló mucho antes que la aparición en escala masiva del acero. En Massachusetts, desde 1648, operaban molinos de laminación para producir alambrón y barras de hierro forjado. La laminación consiste en hacer pasar un trozo de metal maleable a través de un sistema de dos rodillos, como se indica en la figura 2. Al girar, los rodillos aplican presión y aplanan el metal. A veces los rodillos tienen acanalados que sirven para conformar barras, o arreglos más caprichosos para producir perfiles en forma de T o I, o alguna otra configuración. 2 Se dice de aquella mezcla cuyo punto de fusión es menor que el de cualquiera de sus constituyentes por separado Antecedentes históricos Figura 2. Proceso de laminación: una placa o una barra de acero, generalmente al rojo vivo, se pasa por unos rodillos donde se produce un cambio en la sección transversal con la geometría deseada A principios del siglo XVIII ya había en Suecia y en Inglaterra laminadores movidos por molinos de agua. La máquina de vapor de Watt fue aplicada para este uso por primera vez en 1786. A mediados del siglo XIX se producían por laminación rieles para ferrocarril de 40 metros de largo; se usaba de manera generalizada el martillo de vapor y se fabricó el primer buque interoceánico hecho a base de hierro forjado. El buque, llamado SS Great Britain, fue construido con doble capa de hierro y con cinco compartimentos. Su peso fue de 8 000 toneladas, cuatro de las cuales pertenecían a la hélice. La

torre Eiffel, inaugurada en París en 1889, se construyó con más de 7 000 toneladas de hierro forjado. Como el acero todavía era muy caro, los constructores Forges y Mendel optaron por el hierro forjado. La fabricación masiva y, por lo tanto económica, del acero estaba ya retrasada en relación con su demanda. El primer paso para lograr la transformación masiva del arrabio en acero lo dio el inglés Henry Bessemer en 1856. La idea de Bessemer era simple: eliminar las impurezas del arrabio líquido y reducir su contenido de carbono mediante la inyección de aire en un convertidor de arrabio en acero. Se trata de una especie de crisol, como el que muestra en la figura 3, forrado de refractario de línea ácida o básica, y donde se inyecta aire a alta presión soplado desde la parte inferior, que a su paso a través del arrabio líquido logra la oxidación de carbono, además de elevar la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciéndolo hervir. Así, el contenido de carbono se reduce de un 4 o 5% a alrededor de un 0,5 %; además, el oxígeno reacciona con las impurezas del arrabio Antecedentes históricos produciendo una escoria menos densa que asciende y flota en la superficie del acero líquido, aumentando su calidad. Como la combinación de oxígeno con el carbono del arrabio es una combustión (reacción exotérmica), Bessemer sostenía que el proceso estaba exento de costes por energía, pues el calor desprendido los favorecía. Convertidor de arrabio en acero inventado por Henry Bessemer. Un flujo de aire se inyecta por la parte inferior del horno para que elimine gran parte del carbono y otras impurezas del arrabio por oxidación. Este diseño fracasó inicialmente porque el refractario que cubría las paredes del horno era de tipo ácido Bessemer logró convencer a los grandes empresarios del hierro de la época victoriana para que aplicaran industrialmente los procedimientos que él había desarrollado a escala de laboratorio. Se invirtieron enormes recursos en el proyecto, cuyo resultado fue un escandaloso fracaso. Bessemer fue obligado a reponer el dinero a los industriales y se hundió en el mayor descrédito. Pero Bessemer no se dio por vencido. Le costó mucho darse cuenta de que el arrabio que él había empleado en sus experimentos de laboratorio era distinto al que explotaban industrialmente los fundidores ingleses. Por alguna razón, Bessemer había empleado un arrabio de bajo contenido de fósforo que contrastaba con el arrabio obtenido de muchos minerales nativos de Inglaterra y Europa que eran muy ricos en este elemento. La pared del convertidor de Bessemer estaba recubierta con ladrillos refractarios ricos en óxido de silicio o sílice (SiO2), perteneciente al grupo de refractarios ácidos (en contraposición con los básicos, compuestos fundamentalmente por los óxidos alcalinos y alcalinotérreos). La experiencia del primer intento de Bessemer sirvió para demostrar que los refractarios ácidos entorpecen la eliminación del fósforo del arrabio. Más tarde Antecedentes históricos Thomas y Gilchrist, también ingleses, probaron que el convertidor de Bessemer transformaba exitosamente el arrabio en acero si la pared del horno se recubría con refractarios básicos (de óxido de magnesio, por ejemplo). Para eliminar el fósforo y la sílice del arrabio, añadieron trozos de piedra caliza que reacciona con ambos para producir compuestos que flotan en la escoria. Esto no se podía hacer en el convertidor ácido de Bessemer porque la piedra caliza podría reaccionar con los ladrillos de sílice de sus paredes, consumiéndolos progresivamente. Bessemer instaló su propia acería en Sheffield, pagó sus deudas, pronto logró una producción de

un millón de toneladas por año y amasó una gran fortuna. Lo que nunca pudo recuperar fue la confianza de los industriales ingleses. De muy mala manera fue rechazado su proyecto para sustituir los rieles de ferrocarril de "hierro" forjado de esa época por los de acero que ahora todo el mundo utiliza. La tecnología para producir arrabio siempre estuvo inmersa en un proceso evolutivo. Un paso de una gran trascendencia se dio en el siglo XVIII, cuando el carbón mineral sustituyó al carbón de leña en los hornos. El uso del carbón de leña en las acerías dejó secuelas dramáticas en muchos países. En Inglaterra la devastación fue tan brutal que para mediados del siglo XVIII los bosques ya se habían agotado. Por más de un siglo Inglaterra tuvo que importar hierro o arrabio de Suecia, Rusia y de sus colonias americanas, debido a su insuficiencia de carbón de leña. Para bien de los bosques, en el siglo XVIII se inició el uso del carbón mineral para producir arrabio. El carbón mineral usualmente contiene sustancias volátiles indeseables para la fabricación del arrabio. Se desarrolló entonces un método que consiste en triturar y calentar el carbón mineral en hornos para que las sustancias volátiles sean expelidas, dando lugar a un carbón más refinado llamado coque. Cuando los convertidores básicos de arrabio en acero entraron en operación, ya se producía carbón mineral coquizado en plantas avanzada donde además de purificar el carbón, se aprovechaban los gases generados. Se obtenían como subproductos amoníaco, benceno, tolueno, nafta aromática y brea de alquitrán. Los acereros clásicos Una vez desatada la producción masiva de acero durante la Revolución Industrial, la producción mundial creció vertiginosamente, impulsada Antecedentes históricos por una fiebre tecnológica sin precedentes y por una demanda industrial insatisfecha. El fenómeno nunca estuvo limitado al ámbito inglés. Diez años antes de registrarse la patente de Bessemer, William Kelly había desarrollado la misma idea en Estados Unidos. Asimismo los hermanos Siemens, alemanes, y posteriormente los hermanos Martin, franceses, dieron grandes pasos en el desarrollo de convertidores de arrabio en acero que antes de terminar el siglo XIX ya habían superado la producción a los de Bessemer. El sistema Siemens – Martin fue el más utilizado en las primeras siete décadasAntecedentes históricos del siglo XX. Los convertidores BOF, sucesores de los Bessemer cobraron importancia en los últimos cuarenta años La geografía de la producción de acero también evolucionó. A principios del siglo XVIII Suecia era el primer productor mundial de arrabio. Posteriormente Inglaterra tomó su lugar, manteniendo su hegemonía hasta finales del siglo XIX. En 1890 Estados Unidos rebasó a Gran Bretaña y se mantuvo como líder hasta 1971, cuando fue superado por la Unión Soviética. La situación reciente dista de ser estable. De 1976 a 1983 China pasó del octavo al cuarto lugar, Japón desplazó a Estados Unidos del segundo lugar, Gran Bretaña pasó del séptimo al décimo y Corea del Sur se movió del lugar 25º y se puso en el 15º. Figura 6. Los diez mayores productores de acero en el mundo en 1983 Los altos hornos Es el mecanismo que ahora produce la mayor parte del acero del mundo. El proceso se puede dividir en dos grandes pasos: el primero consiste en transformar el mineral de hierro de las minas en arrabio y el segundo en convertir el arrabio en acero. Antecedentes

históricos. En el alto horno, el mineral de hierro, el coque y la caliza se cargan por la parte superior. Por las otras toberas se inyecta el aire caliente que enciende el coque y libera el monóxido de carbono necesario para reducir el óxido de hierro. El arrabio, producto final del alto horno, se colecta por una piquera en la parte inferior Los minerales de hierro contienen del 60 al 70% de hierro; el resto se compone de oxígeno, arena, arcilla y piedras, que a su vez contienen sílice (SiO2). Es necesario deshacerse del sílice para evitar que una parte del hierro se desperdicie al formar compuestos con esta sustancia, lo cual se logra agregando piedra caliza. La caliza tiene la propiedad de que, a altas temperaturas, tiene gran afinidad por la sílice y por otras impurezas que vienen con el mineral, formando compuestos que flotan en el arrabio líquido como escoria. El mineral, junto con la piedra caliza y el coque tienen en su conjunto el nombre de carga y se introducen en el alto horno por la parte superior. La forma y el tamaño de la carga están muy estudiados. Primero se muelen los minerales de hiero y la piedra caliza. Luego se producen aglomerados de uno a dos centímetros de diámetro, donde la caliza se incorpora junto con el mineral. Antecedentes históricos Con bandas transportadoras se lleva la carga, es decir las esferas del mineral y la caliza, y trozos de coque, hasta la parte superior del alto horno. Casi todo el alto horno se mantiene lleno de carga. Por la parte inferior, utilizando toberas, se introduce un soplo de aire caliente que fluye por los huecos que quedan entre las partículas de la carga. Desde los tiempos de los fundidores chinos del siglo VI hasta principios del siglo XIX el arrabio se produjo soplando con aire frío sobre la mezcla de minerales y carbón. Sin embargo, el proceso es mucho más eficiente tanto en rapidez como en consumo de coque si se sopla aire caliente adicionado con un poco de oxígeno y, eventualmente, con hidrocarburos. Cuando el soplo de aire caliente fue introducido por James Nielsen en 1828, se logró de inmediato un ahorro del 40% en el consumo de carbón. En el alto horno, el aire caliente sirve para producir la combustión del coque y para elevar la temperatura. El oxígeno del aire se combina con el carbono para producir el monóxido de carbono que, a su vez, reacciona con el óxido de hierro para producir hierro y dióxido de carbono. Al salir del alto horno, los gases producidos por la reacción del aire caliente con el coque y el mineral de hierro no están totalmente quemados. Es común que una cuarta parte de la mezcla de gases salientes sea monóxido de carbono. Este gas venenoso todavía puede quemarse, es decir, oxidarse, y el calor producido es aprovechable en el calentamiento del soplo de aire que entra. Con esto se logra además un beneficio para el ambiente al reducir las emisiones de monóxido de carbono. Los gases que salen del alto horno son canalizados mediante conductos hacia enormes estufas donde se logra la combustión total de los mismos. En el camino, los gases se hacen pasar por cámaras para separar el polvo que arrastran. De esas cámaras se conducen a una de las estufas (los altos hornos se acompañan al menos de dos estufas), cámaras de combustión revestidas con tabiques refractarios con alta capacidad de absorber calor. Después de algunas horas de quemado de los gases la estufa alcanza altas temperaturas y en ese momento los gases se canalizan a otra de las estufas. Es entonces cuando el soplo del aire, que deberá entrar al alto horno, se pasa por la estufa para que se caliente al

hacer contacto con las paredes de tabique refractario incandescente, pudiendo alcanzar temperaturas superiores a los 1 000° C. Allí la temperatura alcanza los 1 800° C, alrededor de 550 grados más de los necesarios para fundir el arrabio. En estas condiciones las esferas de la carga, originalmente hechas de óxidos de hierro y caliza, lloran (gotean) arrabio y escoria que se depositan en el crisol de la parte inferior del alto horno. Los gases ricos en monóxido de carbono que salen del alto horno son aprovechados para calentar las estufas al completar su combustión. Mientras una de las estufas está en el proceso de combustión, la otra, previamente calentada, sirve para elevar la temperatura del aire por encima de los 1000° C La escoria y el arrabio se sacan del crisol por unos conductos llamados piqueras. La piquera de escoria está colocada más arriba que la de arrabio porque la escoria flota. Frecuentemente el arrabio se traslada al convertidor en el estado líquido; sin embargo, en algunas plantas se vacía para formar lingotes. En Inglaterra, originalmente, los lingotes de arrabio tenían la forma de cerdos y por eso en inglés el arrabio es conocido como pig iron. Los convertidores de arrabio en acero ya no son como los de Bessemer y sus contemporáneos. Conocidos generalmente por sus iniciales en inglés, los convertidores BOF (Basic Oxygen Furnace) logran la refinación del arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de carbono por oxidación, además de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión. En lugar del soplo de aire que utilizaba Bessemer, en los BOF la oxidación se hace directamente Antecedentes históricos con oxígeno. Esta idea también la tuvo Bessemer porque el aire contiene solamente un 21%, de oxígeno contra un 78% de nitrógeno. Lo que pasó fue que en los tiempos de Bessemer el oxígeno puro era muy caro, de modo que no era accesible ni para hacer experimentos en el laboratorio. Cien años después la situación era otra porque se desarrollaron métodos baratos para producir oxígeno y en la escala necesaria para abastecer a las grandes siderúrgicas. Un esquema del convertidor BOF. Consiste en una olla de acero recubierta en su interior con material refractario del tipo básico (óxido de magnesio o de calcio, por ejemplo). A diferencia del convertidor de Bessemer donde se soplaba el aire por la parte inferior, en el BOF se inyecta el oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza se enfría con serpentines de agua interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga de la olla se hacen también por la parte superior y por eso la olla está montada en ejes laterales que le permiten girar. Mediante un chorro de oxígeno con polvo de piedra caliza el arrabio es convertido en acero en un BOF; el oxígeno reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de dióxido (o monóxido) de carbono. La caliza sirve para eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo Originalmente el proceso BOF fue desarrollado en Austria para convertir arrabio con bajo contenido de fósforo (alrededor del 0,3%), y en ese tiempo se bautizó con las iniciales LD, de Linz – Düsenverfahren (lanza de Linz). Luego la técnica se extendió, para arrabios de alto fósforo mediante la adición al chorro de oxígeno de polvo de Antecedentes históricos piedra caliza. Entonces se logró la producción de acero con arrabio de contenidos de fósforo tan altos que llegaban incluso al 2%. Una de las

grandes ventajas que desde un principio se observó en los convertidores BOF fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de chatarra junto con la carga de arrabio líquido. La diferencia de precios entre la chatarra fría y el arrabio líquido ha motivado la búsqueda de tecnologías para incrementar lo más posible la carga de chatarra. Algunos éxitos en esta dirección se han obtenido al adicionar al oxígeno que entra por la lanza combustibles diversos (fuel, gasoil) y carburos de silicio y calcio. La entrada de los convertidores BOF al mercado mundial fue muy acelerada. Los nuevos acereros Todas las industrias deben examinarse a sí mismas con frecuencia. El escenario que compone el estado de la tecnología, las materias primas y la fuerza de trabajo evoluciona muy rápidamente. Suele ocurrir que las premisas que motivaron el establecimiento de industrias multimillonarias pierdan vigencia a los cinco o diez años. Y aunque esas industrias se resistan a aceptar su obsolescencia y sigan adelante, tarde o temprano sucumbirán ante las empresas más avanzadas. Todo parece indicar que el alto horno está viviendo su ocaso. La competencia ha forzado a las plantas acereras integradas a crecer, a buscar la producción en gran escala. Su tamaño, ahora con capacidad de producir de 5 000 a 10 000 toneladas de arrabio por día las ha hecho muy vulnerables. Estas plantas no pueden detener su operación so pena de sufrir enormes pérdidas económicas o daños irreversibles. En forma sumamente onerosa han tenido que enfrentar problemas de liquidez financiera, de abastecimiento confiable, de materias primas y de continuidad en la relación laboral. El suministro de coque es un problema mayor. Durante más de 250 años la industria siderúrgica ha consumido cantidades colosales de carbón mineral. Naturalmente, los mejores yacimientos de carbón se han agotado. El coque es ahora escaso, caro y de baja calidad. Antecedentes históricos Durante muchos años los metalurgistas han cuestionado la forma indirecta de obtener el acero produciendo primero el arrabio en los altos hornos. ¿Por qué no sacar directamente el oxígeno del mineral de hierro y obtener el hierro esponja como en la antigüedad? En el siglo pasado se propusieron y patentaron muchos métodos para reducir (desoxidar) los minerales de hierro directamente en el estado sólido. Se sugería el uso de mezclas de gases de hidrógeno, monóxido de carbono o hidrocarburos, por su alto poder desoxidante. Varios de esos métodos eran técnicamente muy razonables pero ninguno de ellos fue capaz de competir económicamente con el alto horno. En los años cincuenta de este siglo resurgió el interés en muchos países por el desarrollo de tecnologías para producir hierro esponja. Un gran impulso salió de México, donde la compañía HYLSA fue pionera de un proceso de reducción directa muy revolucionario. En 1957 HYLSA abrió su primera planta en Monterrey. Veinte años después el proceso HYL se había extendido por todo el mundo y se habían construido plantas en Venezuela, Brasil, Zambia, Irak, Irán e Indonesia, aparte de las seis plantas en México, con capacidad superior a diez millones de toneladas anuales. El proceso HYL utiliza una mezcla de gases rica en hidrógeno y monóxido de carbono para extraer el oxígeno del mineral de hierro. La mezcla de gases se produce a partir de gas natural y vapor de agua en un dispositivo llamado reformador, que se representa en la figura 10. El gas natural y el vapor se inyectan a una tubería de acero inoxidable que se calienta con unos quemadores. A altas

temperaturas, y con ayuda de catalizadores que se ponen en el interior de los tubos, ocurre la reacción química: Gas natural + vapor de agua → hidrógeno + monóxido de carbono. El reformador es un reactor químico que a altas temperaturas convierte una mezcla de gas natural y vapor en un gas de alto poder reductor formado de hidrógeno y monóxido de carbono El hidrógeno y el monóxido de carbono, agentes reductores (desoxidantes) sumamente efectivos, salen del reformador acompañados de pequeñas cantidades de gas natural y dióxido de carbono. La tubería se conecta con los reactores reductores, que no son otra cosa que enormes vasijas metálicas donde se carga el mineral de hierro en forma de pequeñas esferas (de 2 cm. de diámetro). La unidad reductora consta de una enorme vasija donde se deposita un aglomerado de esferas del mineral por donde pasa el gas reductor previamente calentado a altas temperaturas. Posteriormente el gas residual es enfriado en una tubería bañada con agua Antecedentes históricos El mineral de hierro que se emplea en las plantas de HYL generalmente tiene la composición del cuadro 1. Alrededor del 30% del mineral es oxígeno asociado con el hierro que debe removerse al reaccionar con el hidrógeno o con el monóxido de carbono. Este objetivo se logra en un 85 o un 90% además de añadir al producto hierro esponja, un 2% de carbono. La economía de los recursos energéticos consumidos y generados en el proceso es muy importante para obtener precios competitivos. Por esta razón, las plantas HYL se componen de cuatro unidades reductoras para aprovechar al máximo la energía y el potencial de reducción de los gases. El gas reductor que sale al final todavía se aprovecha para quemarse en el reformador y en otras etapas de proceso. SUSTANCIA PORCENTAJE EN MASA Hierro 67% Oxígeno (en el hierro) 67% Fósforo 0.05% Azufre 0.02% Óxido de calcio 1.8% Óxido de magnesio 0.75% Óxido de aluminio 1.03% Óxido de silicio 1.3% Impurezas 1.1% Una planta de reducción directa es un ensamble de un reformador y varias unidades reductoras. Las materias primas y los minerales en el proceso HYL son aprovechados al máximo al emplear el gas reductor residual como combustible para las unidades calefactoras. De hecho las plantas, en realidad, son una maraña de tubos y válvulas que llevan muchas horas de ingeniería, y cuyo único objetivo es exprimir al máximo los recursos de las materias primas y de los combustibles. El horno de arco consta de una vasija recubierta con refractarios donde se coloca chatarra y/o hierro esponja, que se funden con el paso de una corriente eléctrica introducida con electrodos de grafito El hierro esponja se convierte en acero líquido en un horno de arco eléctrico. El horno eléctrico funde al hierro esponja, y a la chatarra que usualmente se agrega, haciendo pasar por ellos enormes cantidades de corriente eléctrica. El acero fundido, en ocasiones, se pasa a un horno – cuchara donde se hace el ajuste final de la aleación (metalurgia secundaria). Finalmente, el acero se vacía en moldes adecuados a cada proceso de fabricación posterior. Antecedentes históricos Otro tipo de hornos muy en auge actualmente son los hornos de inducción. Se caracterizan por utilizar una corriente eléctrica inducida que circula por una bobina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia (aproximadamente 1000Hz), la cual es suministrada por un sistema de generador, mientras que la bobina es refrigerada por agua. Se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas, dando

lugar a tiempos de fusión de entre 50 y 90 min, pudiendo tratar una carga de hasta 3,6 toneladas por fusión. Los productos que pueden obtenerse son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales. Miniacerías Un competidor implacable de las grandes plantas integradas (que parten del mineral de hierro y terminan con productos acabados de acero) ha surgido de los miles de millones de toneladas de acero que ellas mismas han producido. La chatarra es hoy una materia prima nada despreciable para la fabricación de acero, que suele aprovecharse en plantas pequeñas conocidas como miniacerías, donde la chatarra se funde en hornos de arco eléctrico. Técnicamente, su sistema de operación es muy sencillo. La materia prima se consigue con un buen comprador de chatarra capaz de asegurar un suministro regular. Esto no es nada fácil porque las fuentes de chatarra son muy irregulares. Un buen chatarrero debe además distinguir entre los distintos tipos de chatarra disponible. La chatarra de primera es aquella, que viene en trozos chicos en relación con el tamaño del horno, de buen grosor con pocos elementos indeseables como el cinc de los galvanizados, por ejemplo. Las piezas de acero grandes no son tan atractivas para los chatarreros porque su manejo es difícil y porque dejan mucho espacio vacío entre una y otra pieza. La chatarra se carga al horno de arco eléctrico y se funde al exponerse al paso de una enorme corriente eléctrica. La corriente eléctrica llega a la chatarra a través de electrodos de grafito. Cuando la chatarra se pasa al estado líquido, lo cual ocurre en algunos minutos, los operadores toman una muestra y la llevan al laboratorio de análisis. En cuestión de segundos, con la ayuda de espectrómetros modernos, se determina la composición química del acero. En particular, son de interés los siguientes elementos: carbono, manganeso, fósforo, azufre, silicio, cromo y bronce, entre otros. El hierro, la base de la aleación, se determina por balance. Generalmente es necesario Antecedentes históricos hacer algún ajuste a la aleación mediante la adición de otros elementos necesarios o de formadores de escoria para retirar elementos indeseables como el fósforo o el azufre. Del horno eléctrico, el acero líquido se pasa a una olla donde en ocasiones se pasa a una máquina de colada continua para producir barras de acero de sección cuadrada de 10 a 15 centímetros por lado y de 6 a 8 metros de longitud, llamadas palanquillas. En el proceso de colada continua se producen barras de sección cuadrada (palanquillas) en un molde, directamente a partir de acero líquido. La colada continua produce un ahorro considerable de trabajo y energía con respecto a los procesos menos recientes que producen lingotes con el acero líquido, los cuales se calientan posteriormente al rojo vivo y se laminan para formar las palanquillas El proceso de colada continua se desarrolló en Europa en los años cincuenta para producir secciones de acero directamente a partir de acero líquido. Anteriormente se producían lingotes que, más tarde, se laminaron en rodillos para formar las palanquillas. La colada continua, con la cual se procesa más de un tercio de la producción mundial de acero. El acero líquido de la olla se vacía en un recipiente (artesa) de donde, a velocidad controlada, pasa a un molde de sección cuadrada. Las paredes del molde se lubrican para que el acero no se adhiera y se mantienen "frías" refrigerándolas con serpentines de agua. El molde además, se hace vibrar para ayudar a que el acero se deslice. El molde no tiene tapa

inferior porque el acero que ha solidificado en el extremo inferior, sirve como tapa. Después de pasar por el molde, el acero, ya sólido pero al rojo vivo, pasa por una serie de rodillos que lo jalan hasta llegar Antecedentes históricos a una plancha donde, con sopletes, la sección cuadrada se corta en tramos de la longitud deseada. La palanquilla es la materia prima para los molinos de laminación donde, a base de rodillos, se conforman productos como varillas corrugadas, alambrones y barras de secciones cuadradas, hexagonales o redondas. Debido a la sencillez de su proceso, las miniacerías tienen un coste de inversión considerablemente bajo comparado con el de las plantas integradas: no están técnicamente obligadas a mantenerse en operación permanentemente, es decir, pueden apagar sus instalaciones e irse una semana de vacaciones sin ningún problema, y su tamaño permite ubicarlas cerca de los grandes centros de consumo de acero y producción de chatarra para lograr un ahorro importante en materia de transportes. Como las acerías suelen ser un problema para el medio ambiente, muchas miniacerías están equipadas con dispositivos para el control de emisiones contaminantes. En general, los hornos eléctricos de arco disponen de sistemas muy efectivos para la captura y precipitación de polvos contaminantes. Estos polvos, muy atractivos para las industrias cementeras por ejemplo, se recolectan en una campana colocada arriba del horno eléctrico y son llevados por conductos hasta unos depósitos donde se precipitan. 1.2. EL ACERO A LO LARGO DE LA HISTORIA Hasta el siglo XIX, la producción de acero iba unida a la presencia de mineral de hierro, y los productores importaban leña como combustible, en una escala que llegó a deforestar grandes superficies boscosas de Europa. A partir de entonces, la producción hullera británica, con la capitalización consiguiente, atrajo el mineral de hierro del Atlántico europeo. Ya en el siglo XX, EE.UU en primer lugar, y sucesivamente Alemania, la URSS y el Japón han dado al traste con aquella hegemonía inicial, y es previsible el acceso de Francia y de China a niveles similares. Aunque en algunos casos (Suecia, Luxemburgo, Francia, España) el mineral de hierro haya atraído el carbón, generalmente el transporte ha seguido un sentido inverso, hasta el punto que ningún productor importante de hulla coquizable carece de industria siderúrgica, mientras que productores importantes de mineral de hierro (Malasia, Liberia, Canadá, Venezuela o Chile) no la tienen. Únicamente la fabricación de aceros especiales o a base de chatarra, que suele utilizar la electricidad como fuente de energía, puede localizarse en zonas Antecedentes históricos carentes de carbón y de hierro (Escandinavia, Italia, Barcelona o Santander). Puede darse el caso de que, agotadas las minas, la industria persista aprovechando los capitales, técnicos y mano de obra especializada (Birmingham, tendencia de Vizcaya). La concentración de capitales y la competencia es tan grande en la industria del acero (nexo imprescindible entre el mineral de hierro y la variadísima gama de las manufacturas mecánicas), que la primera unión económica de importancia mundial, el Mercado Común Europeo, empezó como CECA (Comunidad Europea del Carbón y del Acero). ANTECEDENTES EN EL TRATAMIENTO DE LOS ACEROS

Aceros especiales La fabricación de piezas, equipos y estructuras se hace con herramientas. Se necesitan guillotinas para cizallar; dados para forjar; brocas para perforar; moldes para conformar; martillos y cinceles para golpear. Hay un acero para cada uso. A un contemporáneo y colaborador de Bessemer en Inglaterra, llamado Robert Mushet, se le atribuye la paternidad de los aceros especiales para fabricar herramientas. Mushet fue lo que hoy en día se conoce como un diseñador de aleaciones. En realidad, los diseñadores de aleaciones son metalurgistas con "intuición educada": se la pasan con uno o más problemas en mente, generando nuevas aleaciones a base de prueba y error. La intuición educada les sirve para proponer los elementos de aleación que van a considerar ante un problema dado y los intervalos de composiciones donde se van a mover. Habiendo tantos elementos en la naturaleza y siendo infinitas las combinaciones posibles, los diseñadores de aleaciones dependen de su suerte, de su "intuición educada" y de su capacidad para producir y caracterizar el máximo número de combinaciones posibles. Robert Mushet se basaba en el sistema hierro-carbono y experimentaba con adiciones de aleantes. Su primer gran éxito fue adicionar manganeso durante la aceración en los convertidores de arrabio en acero de Bessemer. El manganeso ayuda en el proceso de fabricación de acero y repercute positivamente en sus propiedades finales. Cuando el acero está procesándose en el estado líquido, el manganeso ayuda a desoxidarlo y captura al azufre, formando inclusiones alargadas que hacen al acero más maquinable, Antecedentes históricos además de incrementar su resistencia. Hoy en día casi todos los aceros comerciales, incluyendo los aceros simples al carbono, se fabrican con adiciones de manganeso. En uno de sus múltiples experimentos, Mushet detectó que una barra de acero se templó cuando la extrajo del horno al rojo vivo y la dejó enfriar al aire lentamente. Esto llamó mucho su atención porque normalmente los aceros requieren de un enfriamiento muy rápido (sumergiéndose al rojo vivo en agua) para templarse. Mushet verificó la composición química de la barra de acero y encontró que, además de hierro, carbono y manganeso, había tungsteno. De inmediato Mushet se dedicó a explorar cientos de combinaciones alrededor de la composición de su barra inicial, hasta que decidió salir al mercado con un acero con 2% de carbono, 2,5% de manganeso y 7% de tungsteno, aproximadamente. La primera compañía que comercializó el "acero especial de Robert Mushet" fracasó. Algunos años después otra compañía inglesa logró establecerse con este producto. Transcurrían entonces los años setenta del siglo XIX. Fue necesario esperar varias décadas para que se descubrieran las propiedades más interesantes del acero de Mushet. Inicialmente, la atención se centró en la gran dureza de este acero y en su extraordinaria capacidad de resistir al desgaste. Se hicieron muchas herramientas para maquinar aceros que podían trabajar por horas sin necesidad de aliarse con frecuencia. Muchos años después se descubrió que la velocidad de corte de las herramientas podía incrementarse notablemente. El acero de Mushet es el antecedente de los modernos aceros de alta velocidad. Hoy las herramientas para maquinar, llamadas herramientas de corte, se fabrican con aceros de alta velocidad. A principios del siglo XX, los aceros de alta velocidad llevaban un alto porcentaje de tungsteno (alrededor del 18%). Contenían cromo, en un 4%;

además carbono, manganeso y silicio. Durante la segunda Guerra Mundial y la Guerra de Corea hubo una tremenda escasez de tungsteno. Como no era fácil en esos días pasar enfrente de Japón con el tungsteno de las minas de China y de Corea hacia América, se financiaron muchas investigaciones para sustituirlo. El molibdeno pronto destacó como sustituto y, para cuando los conflictos bélicos se habían apaciguado, el molibdeno era firme en el mercado. En la actualidad, la mayoría de los aceros de alta velocidad emplean al molibdeno en lugar del tungsteno. Antecedentes históricos Los aceros de alta velocidad a base de tungsteno se designaban con una letra "T" y uno o dos dígitos. Por ejemplo, los aceros TI y T2 fueron muy populares en los años veinte y treinta. Ahora, las brocas y los cortadores de los talleres mecánicos se hacen con aceros de la serie "M", llamada así por el molibdeno. Aparte de los aceros para herramientas de corte existen aceros especiales para el conformado de piezas en forjas y troqueles donde, además de la resistencia al desgaste por fricción, se logra una gran tenacidad para absorber muchísimos golpes. Propiedades similares se esperan de las herramientas para cizallar y agujerar, las cuales, además, deben tener una gran estabilidad dimensional en los tratamientos térmicos. La selección del acero apropiado para cada tipo de herramienta es considerablemente difícil.

CARACTERÍSTICAS ELEMENTO Dureza a alta temperatura Tungsteno, molibdeno, cobalto, vanadio, cromo, manganeso. Resistencia al desgaste por fricción Vanadio, tungsteno, molibdeno, cromo, manganeso. Endurecimiento profundo Manganeso, molibdeno, cromo, silicio, níquel, vanadio. Distorsión mínima en el temple Molibdeno, cromo, manganeso. Resistencia al impacto Vanadio, tungsteno, molibdeno, manganeso, cromo. Efecto de los elementos aleantes en las características de los aceros para herramientas El cromo, que influye en todas las propiedades que se mencionan en la, está sumamente concentrado. El 88% de la producción mundial se localiza en la URSS (33%), Sudáfrica (23%), Filipinas (,9%), Turquía (9%) y Zimbawe (7%). Otro ejemplo es el cobalto, pues solamente Zaire, Finlandia y Cuba concentran el 64% del total. Una idea global de la distribución de estos elementos ale antes Principales zonas geográficas de extracción de minerales que contienen los elementos aleantes más importantes para la fabricación de aceros especiales. Su distribución sobre la corteza terrestre está sumamente concentrada en unos cuantos países. El número entre paréntesis que

sigue al símbolo de cada elemento representa al porcentaje de la producción mundial localizada en la zona El endurecimiento superficial Existe una competencia entre la dureza de los aceros y su tenacidad. Es fácil conseguir que un acero sea duro aunque frágil, o que un acero sea dúctil y tenaz, pero blando. Pero incluir ambas propiedades en un mismo acero (es decir, que sea duro, dúctil y tenaz) no resulta fácil. Siempre se tiene que llegar a un compromiso porque, de lo contrario, una propiedad contrarresta a la otra. Muchas herramientas dependen de su filo para poder trabajar en forma continua. Al perforar un acero, la broca sufre desgaste en sus filos. Como la resistencia al desgaste de los aceros es casi siempre proporcional a su dureza, cuanto más dura sea la broca, mayor duración tendrá su filo. No sería difícil conseguir aceros y otros materiales durísimos con los cuales fabricar las brocas; el problema sería enfrentar su fragilidad. Por un lado hay que fabricar la broca misma, lo que impone al acero la necesidad de dejarse cortar y maquinar. Luego, la broca debe ser capaz mientras opera, de transmitir la energía de movimiento del taladro hacia el material que se perfora. La broca debe ser tenaz para soportar esfuerzos de flexión y torsión de manera permanente, además de impactos ocasionales. Antecedentes históricos Los metalurgistas han intentado encontrar una solución a este problema, teniendo en cuenta que las herramientas de corte solamente necesitan enfrentar el problema del desgaste en la superficie y no en su interior. Desde este punto de vista, el problema se simplifica: puede endurecerse considerablemente una capa de una a dos décimas de milímetro de espesor en el exterior de una herramienta mientras se mantiene su interior menos duro pero sumamente tenaz. Hay técnicas de endurecimiento superficial de los aceros que se han practicado desde tiempo inmemorial. Se han localizado vestigios que indican los intentos de los antiguos por lograr superficies duras para sus herramientas y armas. Los herreros antiguos empleaban el carbono y el nitrógeno para endurecer la superficie de sus aceros. Al carbono lo tomaban de la leña y lo metían al acero al rojo vivo por contacto. También por contacto con la orina de animales, o la sangre de los esclavos, se lograba la penetración de nitrógeno en el acero candente. En la segunda mitad del siglo XX, la metalurgia ha recurrido a la física de los plasmas para lograr el endurecimiento termoquímico (a temperaturas elevadas y mediante el empleo de agentes químicos endurecedores) de la superficie de los aceros. El plasma se refiere a un cuarto estado de la materia constituido por un gas ionizado. Para que un gas se convierta en plasma se requiere de algún agente que rompa la neutralidad de los átomos o moléculas. Por ejemplo, en una lámpara de gas es el flujo de una corriente eléctrica a través del gas lo que mantiene el estado de plasma. En este caso, parte de la energía eléctrica se convierte en energía luminosa. El paso de una corriente eléctrica a través del nitrógeno en estado gaseoso produce muchos cationes de nitrógeno, los cuales son atraídos hacia el acero conectando al acero a un polo eléctrico negativo. El esquema de una cámara de plasma para la nitruración iónica de aceros se presenta en la figura 16. Es una cámara muy bien sellada que se somete a vacío extrayendo el aire que contiene con una bomba. Cuando la presión de aire es bajísima en la cámara (algo así como una

millonésima de la presión atmosférica) se introduce, a través de una válvula bien regulada, una mezcla de nitrógeno e hidrógeno gaseosos. El flujo de N2 y H2 debe ser muy reducido para que, con la bomba de vacío en operación, la presión en la cámara se mantenga en una milésima de la presión atmosférica. La pieza de acero cuya superficie se desea nitrurar se instala sobre un portamuestras que tiene una Antecedentes históricos conexión eléctrica al exterior pero a la vez está aislada de la cámara. Esta instalación permite conectar la pieza de acero por el polo negativo, y al cuerpo de la cámara por el polo positivo, a los polos de una fuente eléctrica de alto voltaje. Usualmente el polo positivo se conecta también a tierra para dar seguridad al sistema. Figura 16. Diagrama de un sistema de plasmas para la nitruración iónica de los aceros La pieza de acero se coloca sobre un portamuestra adentro de una cámara sellada herméticamente. Con una bomba de vacío se extrae el aire y, posteriormente, se inyecta un flujo muy pequeño de una mezcla de gases de nitrógeno e hidrógeno. La pieza de acero, a través del portamuestras, se conecta al polo negativo de una fuente eléctrica de alto voltaje. El flujo de corriente eléctrica a través de la mezcla de gases enciende un plasma luminoso con alto contenido de iones positivos de nitrógeno que son atraídos hacia la pieza de acero conectada al polo negativo. Metalografía de una superficie de un acero de ultra alto carbono endurecida con nitruración iónica. Las partículas en forma de fibras son nitruros de hierro Cuando el voltaje de la fuente eléctrica se eleva hasta los 300 voltios, se forma una aureola luminosa alrededor de la pieza de acero, que indica que la mezcla gaseosa se encuentra en el estado de plasma. Al subir hasta los 500 voltios, la luminosidad del plasma aumenta y se produce una mayor concentración de iones de nitrógeno. Aparte de producir iones, la descarga eléctrica libera energía térmica capaz de elevar la temperatura del acero hasta 500° C o más. A estas temperaturas, los iones de nitrógeno, que constantemente golpean la superficie del acero, encuentran condiciones muy favorables para penetrar al interior del acero por difusión. Es factible que en cosa de horas el nitrógeno se haya difundido y formado una corteza nitrurada de varias décimas de milímetro. El nitrógeno, al entrar al acero, tiende a formar, con el hierro y con los elementos que contenga en su aleación, inclusiones de varias composiciones, tamaños y formas. DEFINICIÓN DE ACERO: Según la norma UNE 36−004, el acero puede definirse como: "Material en el que el hierro es predominante y cuyo contenido en carbono es, generalmente, inferior al 2%, conteniendo además otros elementos en diversas proporciones. Aunque un limitado número de aceros puede tener contenidos en carbono superiores al 2% este es el límite habitual que separa el acero de la fundición". EL PAPEL DEL CARBONO EN EL ACERO

El acero es, básicamente, una aleación de hierro y de carbono. El contenido de carbono en el acero es relativamente bajo. La mayoría de los aceros tienen menos de 9 átomos de carbono por cada 100 de hierro. Como el carbono es más ligero que el hierro, el porcentaje de masa de carbono en el acero es casi siempre menos del 2%. La forma convencional de expresar el contenido de los elementos en las aleaciones es mediante el porcentaje con que cada uno contribuye a la masa total. El carbono tiene una gran influencia en el comportamiento mecánico de los aceros. La resistencia de un acero simple con 0,5% de carbono es más de dos veces superior a la de otro con 0,1%. Además, como puede apreciarse en la figura 18, si el contenido de carbono llega al 1%, la resistencia casi se triplica con respecto al nivel de referencia del 0,1%. Conceptos generales Figura 18. Efecto del contenido del carbono en la resistencia de los aceros El carbono, sin embargo, generalmente reduce la ductilidad del acero. La ductilidad es una medida de la capacidad de un material para deformarse de forma permanente, sin llegar a la ruptura. Por ejemplo, el vidrio no es nada dúctil: cualquier intento por deformarlo, estirándolo o doblándolo, conduce inmediatamente a su fractura. El aluminio, por el contrario, es sumamente dúctil. Tubo de pasta de dientes fabricado mediante la deformación de una rondana de aluminio. El aluminio es muy dúctil porque es capaz de soportar grandes deformaciones sin fracturarse Conceptos generales Un acero del 0,1% en carbono es más de cuatro veces más dúctil que otro con 1% de carbono y dos veces más que un tercero con 0,5% de carbono, como se indica en la figura 20. En esta gráfica, la ductilidad se expresa como un porcentaje. Éste se determina estirando una barra de acero hasta llevarla a la fractura para después calcular el incremento porcentual de su longitud. Aceros de bajo, medio y alto carbono Por su contenido de carbono, los aceros se clasifican como de bajo, medio y alto carbono. Las fronteras que separan a estos tipos de acero no están claramente definidas, aunque se entiende que los aceros de bajo carbono tienen menos del 0,25% de carbono en su aleación. Ellos son fácilmente deformables, cortables, mecanizables y soldables; en una palabra, son muy "trabajables". Además, con ellos se fabrican las mejores varillas para refuerzo de concreto, estructuras de edificios y puentes, la carrocería de automóviles y las corazas de los barcos. Efecto del contenido del carbono en la ductilidad de los aceros comunes Los aceros de medio carbono, entre 0,25% y 0,6%, se emplean cuando se desea obtener mayor resistencia, pues siguen manteniendo un buen comportamiento dúctil aunque su soldadura ya requiere cuidados especiales. Con estos aceros se hacen piezas para maquinarias como ejes y engranajes. Conceptos generales Los aceros de alto carbono, entre 0,6% y 1,2%, son de muy alta resistencia, pero su fragilidad ya es notoria y son difíciles de soldar. Muchas herramientas son de acero de alto carbono: picos, palas, hachas, martillos, cinceles, sierras, etc. Los rieles de ferrocarril también se fabrican con aceros de ese tipo. Aceros de ultra alto carbono En cuanto a los aceros que contienen alrededor del 1,5% de carbono, puede creerse que son tan frágiles que no vale la pena ni siquiera estudiarlos. Pero

metalurgistas de la Universidad de Stanford, Sheiby y Wadsworth se dedicaron a estudiarlos, abriendo un campo de investigación en lo que ahora se llama aceros de "ultra alto carbono". Se desentrañaron las peculiares características de estos aceros: gran tenacidad y resistencia, lo que permite fabricar infinidad de piezas donde la resistencia al esfuerzo, al impacto o a la fatiga son de vital importancia. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado, la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas de clasificación son muy similares. En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una letra antes del número. La nomenclatura es como sigue: • Primer dígito: es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1 = carbono, 2 = níquel, 3 = níquel – cromo, 4 = molibdeno, 5 = cromo, 6 = cromo – vanadio, 8 = triple aleación, 9 = silicio magnesio. • Segundo dígito: es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%. Conceptos generales • Tercer y cuarto dígito: indican el contenido promedio de carbono en centésimas; así en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y 4% de carbono. • Cuando en las clasificaciones hay presente una letra al principio, ésta indica el proceso que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes: o A = acero básico de hogar abierto o B = acero ácido de Bessemer al carbono o C = acero básico de convertidor de oxígeno (BOF) o D = acero ácido al carbono de hogar abierto o E = acero de horno eléctrico Así pues, la nomenclatura puede resumirse mediante el siguiente ejemplo: A10XYY donde A = proceso de fabricación 10 = tipo de acero X = % de la aleación del tipo de acero YY = % de contenido de carbono en centésimas. Características físicas del acero CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL ACERO Tal y como se ha indicado anteriormente, el acero es una aleación de hierro y carbono, con un contenido variable en este último elemento. A continuación se comentan algunas de las propiedades físicas que presenta. ESTRUCTURA CRISTALINA Cuando un material cristalino cambia la forma de ordenar sus átomos en el espacio al alcanzar una determinada temperatura, se dice que ha sufrido una transformación alotrópica, y a dicha temperatura se le denomina temperatura de transformación

alotrópica. El hierro es un material muy dúctil y maleable (permite elongaciones del 40%), motivo por el cual no es demasiado útil para determinados usos. Se caracteriza por ser fácilmente oxidable y por tener temperaturas de fusión entre 1 536 y 1 539º C. Al aumentar su temperatura se reblandece, facilitando su procesado. Si lo fundimos, hecho que sucederá al sobrepasar la temperatura de fusión, será posible obtener piezas por moldeo (conformación por moldeo). Es un buen conductor de la electricidad y posee propiedades magnéticas. Pero el principal inconveniente que presenta el hierro como material industrial es su elevada densidad, es decir, posee una gran masa por unidad de volumen. Esto implica que las piezas obtenidas son de un gran peso. Fases alotrópicas del acero y sus características. El acero presenta tres variedades alotrópicas: • Cuando funde a 1 539º C y posteriormente solidifica, su sistema cristalográfico es BCC (Cúbico Centrado en el Cuerpo o Body Cubic Centered). A esta fase se le denomina fase δ (delta), la de máxima temperatura. • Cuando reducimos la temperatura a entre 1 400º C y 900º C, su sistema cristalográfico cambia a FCC (Cúbico Centrado en las Caras o Face Cubic Centered). Ésta es la denominada fase γ (gamma). Características físicas del acero • Cuando se enfría desde 900º C hasta temperatura ambiente, su estructura cristalográfica cambia nuevamente a BCC. Esta fase recibe el nombre de fase α (alfa), y es la de mínima temperatura. Características de cada fase alotrópica: • Fase α: presenta dos átomos por celda, y no disuelve el carbono. La máxima cantidad de carbono que puede contener es de un 0,008% a temperatura ambiente. A 723º C la máxima solubilidad del carbono aumenta al 0,025%. • Fase γ: posee cuatro átomos de carbono por celda. Presenta mayor volumen por celda o cubo que la fase α, es decir, que sus parámetros de red son mayores. Pero el número de átomos por unidad de volumen se mantiene constante. La solubilidad del carbono es del 2% alrededor de los 1 130º C. • Fase δ: el volumen por celda es semejante al del hierro en fase α, y la solubilidad del carbono vuelve a ser limitada. Hacia 1 487º C sólo admite un 0,07%. 3.1.2. Aleaciones binarias En el caso de las aleaciones binarias, es importante determinar dos parámetros fundamentales: 1. La estructura, es decir, qué fases están presentes en la aleación. 2. La composición, es decir la cantidad de carbono que contiene. En general a temperatura ambiente el carbono se encuentra en forma de cementita o Fe3C (carburo de hierro). A altas temperaturas, el Fe3C se disocia, y el carbono forma una solución sólida con el hierro en la fase γ. Aleaciones binarias Fe – C

Según la cantidad de carbono que contiene el hierro podemos hablar de las siguientes estructuras: a. Aceros, o aleaciones Fe – C que contienen un 2% en carbono b. Fundiciones, o aleaciones Fe – C con más del 2% de carbono. Características físicas del acero Además, es posible incorporar otros elementos al hierro, en lugar de o además del carbono como por ejemplo el cromo, el níquel, el vanadio, etc., usados primordialmente para mejorar o potenciar determinadas propiedades. Dentro de los aceros encontramos tres tipos principales, según su % de carbono: a. Aceros hipoeutectoides, con un contenido en carbono inferior al 0,89%. b. Aceros eutectoides, con un contenido en carbono igual al 0,89%. c. Aceros hipereutectoides, con un % en carbono superior al 0,89%. Dentro de las fundiciones existen también tres tipos: a. Fundiciones hipoeutécticas, con un contenido en carbono comprendido entre un 2 y un 4,3%. b. Fundiciones eutécticas, con un 4,3% de carbono. c. Fundiciones hipereutécticas, con más de un 4,3% de carbono. Tipos de reacciones invariantes El máximo contenido en carbono que admite un hierro es de un 6,67%, que corresponde a la proporción de carbono en la cementita o Fe3C. Características físicas del acero Los aceros pueden trabajarse por forja: se calienta y se trabaja cuando está al rojo vivo, manteniendo el estado sólido. Las fundiciones sólo permiten la conformación en estado líquido. Acostumbran, además, a contener impurezas de fósforo, azufre, silicio y otros elementos. Diagrama de equilibrio de las aleaciones Fe – C 3.1.4.1. Constituyentes de equilibrio y no equilibrio de las aleaciones Fe – C Las fases destacadas del diagrama de fases de las aleaciones binarias hierro – carbono son: • Ferrita Aleación sólida intersticial en hierro α donde se sitúan algunos átomos de carbono. La solubilidad del carbono es del 0,008%, mientras que a 723º C presenta una solubilidad del 0,025%. Esta fase se mantiene hasta los 900º C. En este caso, aunque permanece en estado sólido, la dureza es de 90 HB (baja), la elongación del orden del 30 – 40% y la resistencia a la rotura es de unos 28 kg/mm2 . Presenta propiedades magnéticas. • Cementita Es el constituyente más duro. Las proporciones de Fe3C son siempre constantes e iguales al 6,67% de carbono, y el resto de hierro. Es el más frágil, pues se rompe con mayor facilidad que el resto cuando se le aplica fuerza de choque. Su dureza es de 700 HB, y cristaliza en el sistema ortorrómbico. Las tres dimensiones del paralelepípedo son diferentes (a ≠ b ≠ c). Posee propiedades magnéticas a temperatura ambiente, pero las pierde a entre 210 – 220º C. Tiene gran resistencia a la compresión. Características físicas del acero • Perlita Es una mezcla eutectoide de ferrita y cementita. Se forma cuando la proporción de carbono es del 0,89%. Las capas alternas presentan un 13,5% de cementita (componente de alto

contenido en carbono) y un 46,5% de ferrita (componente de bajo contenido en carbono). Dicha proporción se mantiene constante. La perlita aparece cuando un acero o aleación Fe – C se enfría lentamente, desde que se encuentra a temperatura superior a la crítica hasta la temperatura ambiente. Sus propiedades básicas son una mayor dureza que la ferrita pero menor que la cementita (aproximadamente 200 HB); es muy deformable pero no permite elevadas elongaciones (máximo un 15% de deformación). Presenta una resistencia a la rotura de 80 kg/mm2 . • Austenita Se trata de una solución sólida intersticial de carbono en hierro γ. La solubilidad máxima de carbono es del 2% a 1 130º C, pero en función de la temperatura dicha solubilidad podrá variar hasta un mínimo de 0,008%. Es estable a temperaturas superiores a 723º C (temperatura crítica), mientras que por debajo no existe por no ser estable. Es muy dúctil, pues permite elongaciones del 30%; también es blando (300 HB) y su resistencia a la rotura es de 100 kg/mm2 . No presenta propiedades magnéticas. En especial, tiene gran resistencia al desgaste. Características físicas del acero Figura 21. (a) Metalografía de un acero de bajo carbono (0,18%). Los granos oscuros son de ferrita y los granos claros son de perlita. (b) Detalle de los granos de perlita formados por láminas claras (cementita) y oscuras (ferrita) Figura 22. Cuatro metalografías de acero de bajo, medio y alto carbono. La perlita es escasa en los aceros de bajo carbono y aumenta hasta ocupar casi todo el espacio en los aceros de alto carbono Características físicas del acero Constituyentes que no son de equilibrio: • Martensita Solución intersticial sobresaturada de carbono en hierro α. Se obtiene por enfriamiento rápido desde una estructura austenítica. La estructura cristalina se deforma, es decir, no es un cubo, sino un paralelepípedo de base cuadrada. El % de carbono es variable, pudiendo llegar al 1%, y dependerá del contenido en carbono que posea antes del enfriamiento. Las propiedades físicas varían con el contenido en carbono: la dureza, la fragilidad y la resistencia mecánica aumentan al incrementar el % en carbono, teniendo su punto máximo en un 0,9%. Presenta poca elongación (no se deforma fácilmente) y propiedades magnéticas. Tiene gran dureza debido a las tensiones internas que se crean en la estructura por la presencia del carbono. • Troostita Es un agregado fino de cementita y hierro α o ferrita. Es una variante de la perlita. Se puede obtener mediante dos procedimientos diferentes: • Enfriando a una velocidad ligeramente inferior a la crítica de temple (velocidad de enfriamiento necesaria para pasar de estructura austenítica a martensita, y por tanto, velocidad elevada). • Por transformación isotérmica, manteniendo al acero en forma austenítica a entre 500 y 600º C durante varias horas. • Sorbita Agregado fino de cementita y hierro α; se trata de una variante de la perlita. Se obtiene mediante dos modificaciones:

• Enfriamiento desde el estado austenítico a velocidad inferior a la crítica de temple. Características físicas del acero • Por transformación isotérmica, manteniendo la temperatura entre 600 – 650º C durante un cierto tiempo. Estas tres estructuras (perlita, troostita y sorbita) son constituyentes laminares que se forman variando la velocidad de enfriamiento. • Bainita Se obtiene sólo por transformación isotérmica desde austenita a una temperatura de entre 250 – 550º C. Según el intervalo de temperaturas se pueden producir dos tipos de bainita. • Superior: cuando la temperatura está entre 500 y 550º C (en la zona alta). • Inferior: cuando la temperatura oscila entre 250 y 400º C. Está formada por capas delgadas de Fe3C o cementita en una matriz de ferrita (por lo tanto, posee una estructura similar a la de la perlita). Las dos bainitas presentan aspectos diferentes: • La bainita superior tiene dichas capas más paralelizadas. • La bainita inferior presenta un aspecto más acicular (forma de agujas). Constituyentes de equilibrio: • Ledeburita Es el constituyente eutéctico de las aleaciones Fe – C. Pertenece al grupo de las fundiciones, con una proporción fija de carbono del 4,3%, aunque no es un compuesto químico. La encontramos a temperaturas inferiores o iguales a 1 130º C, hasta un mínimo de 723º C. A partir de aquí se convierte en ferrita y cementita (es decir, perlita). Está formada por un 45% de austenita con un 2% de carbono aproximadamente y un 52% de cementita. Características físicas del acero • Steadita Se trata de una aleación ternaria. Es un constituyente eutéctico de las aleaciones Fe – C, y más de un 0,15% de fósforo, es muy común. Contiene aproximadamente un 10% del fósforo que lleva una aleación. • Grafito Reduce la dureza de la aleación en la que se encuentra. Le otorga menor plasticidad y elasticidad. Se reduce también la resistencia mecánica, pero se incrementa la resistencia al desgaste y a la corrosión. Actúa como lubricante y se puede presentar en forma laminar o nodular. MATERIAL.

Un material es un elemento que puede transformarse y agruparse en un conjunto. Los elementos del conjunto pueden tener naturaleza real (tangibles), naturaleza virtual o ser totalmente abstractos. Por ejemplo, el conjunto formado por cuaderno, témperas, plastilinas, etc. se le puede denominar materiales escolares. Al conjunto de cemento, acero, grava, arena, etc. se le puede llamar materiales de construcción. Se habla de material educativo refiriéndose a elementos como pinturas, lienzos, papel, etc.; pero también contener elementos abstractos como el conocimiento divulgado en los libros, la didáctica, apoyo multimedia y audiovisual. El material puede ser simple o complejo. Y también heterogéneo. Un material define las cualidades artísticas de la sustancia de la que un objeto está hecho. En su forma más simple, puede utilizar los materiales para mostrar la sustancia de la que un objeto está hecho, o para "pintar" el objeto con diferentes colores. Por lo general, la sustancia está representada por sus cualidades superficiales (color, brillo, reflectancia, etc), pero también puede exhibir efectos más complicados tales como la transparencia, la difracción y la dispersión de subsuperficie. Los materiales típicos podrían ser latón, piel, vidrio, o lino. El material básico de Blender (sin-textura) es uniforme en cada cara de un objeto (aunque varios pixels de cada cara del objeto se pueden ver diferentes por los efectos de iluminación). Sin embargo, diferentes caras de un objeto pueden usar diferentes materiales (veaMúltiples Materiales). En Blender, los materiales pueden (opcionalmente) tener texturas asociadas. Las texturas describen la sustancia: por ej. latón pulido, vidrio sucio o lino bordado. El capítulo Texturas describe cómo agregar texturas a los materiales.

Cómo trabajan los materiales. Antes de que pueda entender como diseñar de forma eficiente con materiales, debe entender como interactuan con el motor de procesamiento de Blender las luces simuladas y las superficies, y como los parámetros del material controlan estas interacciones. Una profundización en el entendimiento del motor le ayudará a entender todo ello. La imagen creada (procesada) con Blender es una proyección de la escena en una superficie imaginaria llamada plano de proyección (viewing plane). El plano de proyección es análogo a la película en una cámara tradicional o a la córnea en un ojo humano, excepto que recibe luz simulada en lugar de luz real.

Para procesar una imagen de una escena primero se debe determinar qué luz de la escena está llegando a cada punto del plano de proyección. La mejor manera de responder a esta pregunta es seguir una línea recta (el rayo de la luz simulada) desde dicho punto en el plano de proyección y el punto focal (la posición de la cámara) hasta que impacte sobre una superficie representable en la escena, en este punto podremos determinar que luz debería impactar ese punto. Las propiedades de la superficie y el ángulo de incidencia de la luz nos dirán qué cantidad de luz debería ser reflejada por el ángulo de visión incidente (Principio básico del motor de procesamiento).

Principio básico del motor de procesamiento. Cuando un rayo de luz impacta sobre cualquier punto de una superficie, se dan lugar dos tipos básicos de fenómenos: difusión y reflexión especular. La difusión y la reflexión especular se distinguen la una de la otra principalmente por la relación entre el ángulo de luz incidente y el ángulo de la luz reflejada. El sombreado (o coloreado) del objeto durante el procesamiento tendrá en cuenta el color base (modificado por los fenómenos de difusión y de reflexión especular) y la intensidad de la luz. Usando el trazador de rayos Interno, otros fenómenos (más avanzados) pueden ocurrir. En las reflexiones trazadas, el punto de una superficie impactado por un rayo de luz devolverá el color de su entorno, de acuerdo con el nivel de reflexión del material (mezcla del color base y el entorno) y el ángulo de visión.

Por otra parte, en refracciones trazadas, el punto de la superficie impactado por un rayo de luz devolverá el color de su entorno ambiental, de acuerdo con el nivel de transparencia del material (mezcla del color base y el entorno ambiental, junto con su valor opcional de filtrado) y el índice de refracción del material opcional, que distorsiona el ángulo de visión. Por supuesto, el sombreado del objeto impactado por un rayo de luz trata de mezclar todos estos fenómenos a la vez durante el procesamiento. La apariencia del objeto, cuando se procesa, depende de muchos ajustes relacionados entre sí: 

Entorno (Color ambiental, Radiosidad, Oclusión ambiental)



Luces



Ajustes de materiales (incluyendo ambiente, emisión y otros ajustes en cada panel de ese contexto)



Textura(s) y cómo están mezcladas



Nodos de material



Cámara



Ángulo de visión



Obstrucciones y oclusiones transparentes



Sombras de otros objetos opacos/transparentes



Ajustes de procesamiento



Dimensiones de objeto (las opciones de Transluminiscencia son relevantes a las dimensiones)



Forma de objeto (refracciones, efectos fresnel)

ESTRUCTURA DE LA MATERIA. ESTADO SOLIDO. El “estado sólido” de la materia se refiere al estado una sustancia de energía condensada por pérdida de calor, con una densidad relativamente alta, una gran cohesión entre sus partículas que es mayor a la repulsión de sus cargas electromagnéticas y una gran resistencia a da mbar su estado de reposo de forma y volumen definidos cuando no está confinado. Los sólidos se

conforman cuando las moléculas altamente energizadas con fuerte velocidad y oscilación en estado de fusión pierden calor. Las moléculas de los sólidos interactúan entre sí con una fuerza intensa. Estas interacciones pueden estar organizadas en una “estructura cristalina regular” (mono cristalina o poli cristalina) o no tener una forma definida “amorfos”. Si durante la solidificación la pérdida de calor produce un cambio lento en el estado de las partículas, éstas se organizarán de forma coherente adoptando una estructura geométrica o “cristalina”, y si por el contrario la solidificación se da de manera súbita, las partículas se organizarán de forma “amorfa”, pues no podrán colocarse de forma homogénea como en el caso del vidrio. Los sólidos se agregan de forma rígida, sin poder comprimirse. Son materiales duros y resistentes que no se difunden. Si un sólido es deformado, puede recuperar su forma original o puede romperse en muchos fragmentos. Los sólidos tienen una forma definida relativamente rígida y no fluyen como los gases o los líquidos.

Las fuerzas que afectan a cada molécula en un material sólido diferentes en el interior del material que en la superficie. Dentro del material, molécula está sometida a todas fuerzas de atracción posibles con moléculas vecinas, por lo que se afirma que las partículas dentro de los sólidos encuentran un estado menor de energía. En las moléculas en la superficie fuerzas netas hacia el interior de la materia y posibilidades de interacción, por lo que dichas partículas superficiales se encuentran en más alto de energía.

son

cada las sus

en

hay

un estado

Debido a la gravedad , el volumen de la materia origina una tendencia del sistema a disminuir la energía t otal de dicho cuerpo. La forma en que las partículas que constituyen una sustancia se reúnen o agregan determina una buena parte de las propiedades físicas y, entre ellas, su estado sólido, líquido o gaseoso. Las leyes que rigen el comportamiento de la materia en la escala ordinaria de observación pueden ser explicadas a partir de teorías que hacen referencia a las interacciones entre sus componentes elementales. Sometida a condiciones extremas, la materia puede pasar a estados físicos muy especiales; tal es el caso del plasma y de la materia constitutiva de las estrellas de neutrones. La materia se presenta esencialmente, en nuestro planeta, bajo tres formas o estados de agregación diferentes: el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso. Cada uno de estos tres estados presenta unas propiedades directamente observables que le son características. Así los sólidos poseen una forma y volumen propios; los líquidos, por su parte, aunque adoptan la forma del recipiente que los contiene, poseen un volumen propio que se mantiene prácticamente constante aun en el caso de ser sometidos a presiones exteriores considerables. Los gases, sin embargo, adoptan la forma del recipiente y además ocupan todo su volumen interior. Estado sólido

Así, manteniendo constante la presión, a baja temperatura los cuerpos se presentan en forma sólida tal que los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente; son por tanto agregados generalmente rígidos, duros y resistentes. Estado líquido Incrementando la temperatura el sólido se va descomponiendo hasta desaparecer la estructura cristalina alcanzándose el estado líquido, cuya característica principal es la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe una cierta ligazón entre los átomos del cuerpo, si bien de mucha menor intensidad que en el caso del sólido.

Estado gaseoso Por último, incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene, aunque con mayor propiedad debería decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible. Plasma Existe un cuarto estado de la materia denominado plasma que se produce para temperaturas y presiones extremadamente altas. Es el más abundante del Universo.

Cambio de estado Se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso. Las transiciones de un estado a otro se denominan respectivamente 

sólido a líquido = fusión.



sólido a gas = sublimación.



gas a sólido = deposición o sublimación inversa.



gas a líquido = condensación.



líquido a gas = evaporación.



líquido a sólido = solidificación.

Los dos parámetros de los que depende que una sustancia o mezcla se encuentre en un estado o en otro son temperatura y presión. La temperatura es una medida de la energía cinética de las moléculas y átomos de un cuerpo. Un aumento de temperatura o una reducción de la presión favorecen la fusión, la evaporación y la sublimación, mientras que un descenso de temperatura o un aumento de presión favorecen los cambios opuestos.] Límites >4.500 ºC No hay sólidos > 6.000 °C No hay líquidos (solo gases) >10,000 °C Sólo plasma EL ESTADO GASEOSO Si disponemos de una cantidad de una determinada sustancia, podremos medir su temperatura, la presión que sobre ella actúa, el volumen que ocupa y los gramos que pesa por tanto el número de moles. Estas cuatro magnitudes no son independientes entre sí. Existe entre ellas una relación matemática que simbólicamente, podemos expresar como V= f(P,T,n). El conocimiento de la forma concreta que toma esta expresión matemática general para cada sustancia, en un estado de agregación determinado se llama ECUACIÓN DE ESTADO. En los sólidos y líquidos esta ecuación es muy complicada y distinta para cada sustancia. Sin embargo es mucho más sencilla en los gases e igual para todas las sustancias en este estado. El análisis de la forma de esta ecuación de estado de los gases puede hacerse por dos camino: a) Por un estudio experimental, atendiendo a las características macroscópicas que muestran los gases (Tratamiento fenomenológico) b) Por un estudio teórico, atendiendo a las características microscópicas o moleculares de los gases (Teoría cinético molecular). Repasemos el concepto de cada una de estas magnitudes: Temperatura

Según la teoría cinética, la temperatura es una medida de la energía cinética media de los átomos y moléculas que constituyen un sistema. Dado que la energía cinética depende de la velocidad, podemos decir que la temperatura está relacionada con las velocidades medias de las moléculas del gas. Hay varias escalas para medir la temperatura; las más conocidas y utilizadas son las escalas Celsius (ºC), Kelvin (K) y Fahrenheit (ºF). En este trabajo sólo utilizaremos las dos primeras la relacion entre ellas es: t°( K) = t + 273; t°(F)=t°C..1,8+32

Presion = 1 Atm

P.F.del agua

P.E del agua

Divisiones

Escala Celsius

0

100

100

Escala Kelvin

273,16

373,16

100

212

180

Escala Farhenheit 32

Presión En Física, llamamos presión a la relación que existe entre una fuerza y la superficie sobre la que se aplica: P = F/S Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m 2) que recibe el nombre de pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 Otra unidad muy utilizada para medir la presión, aunque no pertenece al Sistema Internacional, es el milímetro de mercurio (mm Hg) que representa una presión equivalente al peso de una columna de mercurio de 1 mm de altura. Esta unidad está relacionada con la experiencia de Torricelli que encontró, utilizando un barómetro de mercurio, que al nivel del mar la presión atmosférica era equivalente a la ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de altura. En este caso la fuerza se correspondería con el peso (m·g) de la columna de mercurio por lo que

P = m·g/S Como la masa puede expresarse como el producto de la densidad (Hg=13,6 g/cm 3) por el volumen (m = d·V), si sustituimos será: P = d·V·g/S y dado que el volumen es el producto de la superficie de la base por la altura (V = S·h), tenemos P = d·S·h·g/S que podemos simplificar quedando: P = d·g·h que nos permite calcular la presión en función de la densidad, la intensidad del campo gravitatorio y la altura de la columna. Sustituyendo los correspondientes valores en la ecuación anterior tenemos que: P = d·g·h = 13600 kg/m3 · 9,8 N/kg · 0,76 m ˜ 101300 N/m2 = 101300 Pa Según la teoría cinética, la presión de un gas está relacionada con el número de choques por unidad de tiempo de las moléculas del gas contra las paredes del recipiente. Cuando la presión aumenta quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo es mayor. Usaremos la atmósfera (atm) y el milímetro de mercurio (mmHg): 1 atm = 760 mm Hg EL bar es otra unidad de presión un bar será la presión que ejercen 1000  1000 dinas por cm2. Es decir 106 dinas por cm2. y equivale e1 bar = 100.000 pascales = 105 pascales Normalmente la presión atmosférica se da en milibares, siendo la presión "estándar" igual a 1.013,2 milibares. Si la medida se da en unidades del SI, el hectopascal da el mismo número: 1.000 mb = 1.000 hPa.; 1 bar = 100.000 Pa = 1 hPa = 10.000 kg/m2; 1 atm = 1013 mb

1 bar

Volumen El volumen es el espacio que ocupa un sistema. Recuerda que los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente en el que se encuentran. Decir que el volumen de un recipiente que contiene un gas ha cambiado es equivalente a decir que ha cambiado el volumen del gas.

En el laboratorio se utilizan frecuentemente jeringuillas como recipientes de volumen variable cuando se quiere experimentar con gases. Hay muchas unidades para medir el volumen. Usaremos el litro (L) y el mililitro (mL) Su equivalencia es: 1L = 1000 mL Como 1 L es equivalente a 1 dm 3, es decir a 1000 cm 3, tenemos que el mL y el cm 3 son unidades equivalentes.

Cantidad de gas La cantidad de gas está relacionada con el número total de moléculas que se encuentran en un recipiente. La unidad que utilizamos para medir la cantidad de gas es el mol. Un mol es una cantidad igual al llamado número de Avogadro: 1 mol de moléculas= 6,022·1023 moléculas 1 mol de átomos= 6,022·1023 átomos La masa molar de una sustancia pura es la masa que corresponde a 1 mol de dicha sustancia: masa en gramos masa molar =

cantidad de moles

LEY DE BOYLE Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante

Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. El volumen es inversamente proporcional a la presión: •Si la presión aumenta, el volumen disminuye. Si la presión disminuye, el volumen aumenta. Esto es debido a que al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes. Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.

La expresión matemática de esta ley es:

(el producto de la presión por el volumen es constante) Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V 1 que se encuentra a una presión P 1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V 2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Boyle. Ejemplo:

4.0 L de un gas están a 600.0 mmHg de presión. ¿Cuál será su nuevo volumen si aumentamos la presión hasta 800.0 mmHg? Solución: Sustituimos los valores en la ecuación P 1V1 = P2V2. (600.0 mmHg) (4.0 L) =(800.0 mmHg) (V2) Si despejas V2 obtendrás un valor para el nuevo volumen de 3L.

LEY DE CHARLES Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante A presión constante, el volumen de un gas aumenta proporcionalmente al incremento de temperatura, siendo la constante de proporcionalidad la misma para todos los gases. Este enunciado, que se conoce como primera Ley de Gay-Lussac, se expresa matemáticamente mediante la ecuación:

Vt = V0 (1 + αt) donde Vt representa el volumen a la temperatura de t ºC, V0 el volumen a 0 ºC y  es una constante aproximadamente igual para todos los gases que se denomina coeficiente de dilatación y cuyo valor es:  = 1/273. El que  sea igual a 1/273 significa que cuando la temperatura de un gas se eleva en un grado centígrado, su volumen aumenta 1/273 veces el volumen inicial, es decir, se dilata en un 0,37 % por grado centígrado.

Esto se debe a que cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior). Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.

Teniendo en cuenta la relación entre temperatura en la escala Celsius y escala Kelvin podremos expresar la ecuación anterior como:

(el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)

El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas: .Si la temperatura aumenta, el volumen •Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye.

del

gas

aumenta.

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V 1 que se encuentra a una temperatura T 1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V 2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Charles.

LEY DE GAY-LUSSAC Relación entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante A volumen constante, la presión de un gas aumenta proporcionalmente al incremento de temperatura, siendo la constante de proporcionalidad la misma para todos los gases.

Este enunciado, semejante al de la primera ley, se expresa mediante una ecuación similar en la forma:

Pt = P0 (1 + t)

siendo  el coeficiente de compresibilidad a volumen constante, aproximadamente igual para todos los gases y cuyo valor es  = 1/273. Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar. Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor: y teniendo en cuenta la relación entre temperatura en la escala Celsius y escala Kelvin podremos expresar la ecuación anterior como:

La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura: •Si aumentamos la temperatura, •Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.

aumentará

la

presión.

(el cociente entre la presión y la temperatura es constante) Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión P 1 y a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor T 2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac. Esta ley, al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Al igual que en la ley de Charles, las temperaturas han de expresarse en Kelvin.

LEY DE AVOGADRO Relación entre la cantidad de gas y su volumen Esta ley, descubierta por Avogadro a principios del siglo XIX, establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura y la presión. Recuerda que la cantidad de gas la medimos en moles. El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas: •Si aumentamos la cantidad de gas, •Si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye.

aumentará

el

volumen.

Vamos a suponer que aumentamos la cantidad de gas. Esto quiere decir que al haber mayor número de moléculas aumentará la frecuencia de los choques con las paredes del recipiente lo que implica (por un instante) que la presión dentro del recipiente es mayor que la exterior y esto provoca que el émbolo se desplace hacia arriba inmediatamente. Al haber ahora mayor distancia entre las paredes (es decir, mayor volumen del recipiente) el número de choques de las moléculas contra las paredes disminuye y la presión vuelve a su valor original. Según hemos visto en la animación anterior, también podemos expresar la ley de Avogadro así:

(el cociente entre el volumen y la cantidad de gas es constante)

Supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n 1 que ocupa un volumen V 1 al comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas hasta un nuevo valor n 2, entonces el volumen cambiará a V2, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Avogadro. ECUACIÓN DE ESTADO. Vamos a suponer que tenemos una cantidad de gas, 1mol, en unas condiciones iniciales P 0, V0 y T0; y le sometemos a una transformación isotérmica, ( T 0 constante), el gas en las nuevas condiciones tendrá una presión y un volumen nuevo P, V m, T0, si ahora le sometemos a una transformación isobárica (presión constante) en el gas habrán variado la T y el V de manera que las nuevas condiciones serán P, V, T. En la primera transformación se cumplirá la ley de Boyle de forma que P 0 V0 = P Vm En la segunda transformación se cumplirá la ley de Charles por tanto: Vm/ T 0=V/T Despejando en la primera igualdad el Vm y sustituyendo en la segunda llegamos a la expresión: P0 V0 / P T0= V/T, agrupando las variables a ambos lados de la igualdad según las condiciones obtenemos P0 V0 / T0= P V/T Ecuación de Clapeyron

Como consideramos las condiciones iniciales como normales es decir presion de 1 atm y T 0 de 0 C, es decir 273,16 K en esas condiciones 1 mol de gas ocupa 22,4 litros el cociente P 0 V0 / T0= 0,082 atm.l / K mol = R (constante general de los gases) (Su valor se puede expresar en distintas unidades: 0.082atm.l / K mol; 8.31 Julios/ mol K; R = 1.987 cal / mol K; R= 8.31 Kpa l /mol)

Luego para 1 mol de gas ideal la ecuación anterior tomara la forma: P V/T= R para n moles : : P V/T= nR o bien:

MEZCLA DE GASES. LEY DE DALTON. También llamada ley de las presiones parciales. “La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de los componentes de la mezcla” Para una mezcla de dos gases A y B. La P t= PA+PB. Siendo PA y PB las presiónes parciales de un gas y representan la presión que ejercería ese gas si estuviese sólo en el recipiente a la misma presión y temperatura que la mezcla. La ley de Dalton se puede verificar fácilmente utilizando la ley de los gases ideales: Pt=nt RT/V = (nA+nB)RT/V. Desdoblando los términos en el segundo miembro de la ecuación: Pt=nA RT/V + nB RT/V Las presiones parciales de los gases individuales: PA=nA RT/V ; y PB=nB RT/V Dividiendo la presión parcial entre la presión total: PA/ Pt=nA /nt o PA = (nA /nt ) Pt El cociente (nA /nt ) =xA Podremos escribir:

se conoce como fracción molar del componente

DIFUSIÓN Y EFUSIÓN. LEY DE GRAHAM. - Difusión = es el proceso de expansión a través del espacio por parte del gas.

A en la mezcla.

- Efusión = es el proceso de pasaje a través de poros pequeños por parte del gas. - Ley de Graham (aplicable a la Efusión de gases) = Las velocidades de efusión o de difusión no son iguales para todos los gases, sino que están en relación inversa a la raíz cuadrada de sus densidades respectivas: v1/v2= (d2/d1)1/2 estando los gases 1 y 2 en iguales condiciones de presión y temperatura. Esta ley nos permite calcular masas moleculares comparando la velocidad de efusión de un gas con la de otro cuya masa molecular sea conocida “El tiempo que tarda un volumen de un gas para pasar a través de un orificio, es inversamente proporcional a su velocidad de efusión”, o sea que matemáticamente será: t2/t1 = M2/M1 = d2/d1 Por tanto el tiempo necesario para la efusión aumenta con la masa molecular GASES REALES La mayoría de los gases a medida que aumenta la P o disminuye la T °, sufren desviaciones manifiestas del comportamiento ideal. Esto se ve cuando el Factor de Compresibilidad (Z) se desvía de la unidad, sabiendo que dicho desvío se debe al comportamiento más real de un gas. Dicho Z se calcula como: P.V/R.T = Z y es igual a 1 en un gas ideal NOTA: Las Fuerzas de atracción Intermoleculares hacen que el Z < 1 , mientras que el efecto basado en el volumen de las moléculas hace que el Z > 1.

Licuefacción de Gases:

En A tenemos un gas a elevada T y V, y baja P. Si disminuimos el V a T = cte., el gas se compacta según la Ley de Boyle (P*V = cte.) y observamos como aumenta la presión hasta B. A dicha presión (B), al disminuir el V vemos que la P no varía, esto se debe a que comienzan a ejercerse fuerzas de atracción entre las moléculas. Esta presión se mantiene cte. Hasta C donde todo el gas se convierte en liq. y la pendiente de la curva CD evidencia la incompresibilidad de los mismos. La porción de curva AB denota la existencia de gas solamente; la CD, líquido; en cambio en la porción BC coexisten en equilibrio, gas y líquido, en donde la proporción de líquido a gas aumenta cuando diminuye el volumen (de B a C). Si se repite la experiencia a mayores T °, vemos que la curva es análoga a la anterior, excepto que la porción horizontal, sobre la cual se efectúa la Licuefacción, es más corta. La misma se reduce a un punto (E), el cual es el límite por encima de la cual no se puede licuar un gas, es decir, que no existe el líquido por encima de esa Tc (Temperatura crítica), Pc (Presión Crítica) y Vc (Volumen Crítico), cualquiera sea la presión aplicada. La curva que pasa por el punto E se denomina Isotérma Crítica. Deducimos que para poder licuar un gas comprimiéndolo es imprescindible que se encuentre a una temperatura inferior a su temperatura crítica. Generalmente se utiliza el término vapor para definir a una sustancia gaseosa cuando su temperatura está por debajo del valor crítico, por lo tanto un vapor puede ser licuado por efecto de la presión.

Atendiendo al valor de la Tc diferenciaremos entre gases fácilmente licuables como aquellos en que su Tc es alta ( ejemplo CO 2, NH3..) y gases difícilmente licuables cuyas temperaturas críticas son extremadamente bajas y para licuarlos habrá que enfriarlos previamente. Ejemplo H 2, N2, O2… La ley de Boyle debe invalidarse a presiones muy elevadas, pues para tales presiones pronostica volúmenes de gases infinitesimalmente pequeños, que realmente no podrían existir pues el menor volumen que presentan es el de las moléculas del mismo gas. Por otra parte, las Fuerzas Intermoleculares, pues éstas reducen a las fuerzas de colisión, con lo que la P ejercida en las paredes de los recipientes por el gas real, es menor. Ecuación de un Gas Real: Es evidente que la ecuación general de estado de los gases perfectos no justifica el comportamiento de muchos gases reales, especialmente a bajas temperaturas y altas presiones de las muchas ecuaciones propuestas para los gases reales vamos a estudiar la ecuación de Van der Waals. Una de las más difundidas es la ecuación de Van der Waals, que introduce unas correcciones a la ecuación de los gases: Corrección de P P  real = P + n².a/V² Corrección de V  V real = V – n.b Donde a y b depende de cada gas. Hay que decir que la corrección de P se debe a las fuerzas intermoleculares y la de volumen a los volúmenes moleculares, por lo tanto la ecuación de un gas Real quedará como: (P + n².a).(V – n.b/V²) = n.R.T A esta ecuación se la llama Ecuación de Van der Waals. ESTADO LÍQUIDO. Para todo gas hay una temperatura en particular a la cual las fuerzas intermoleculares toman suficiente intensidad como para que las moléculas condensen, formando un nuevo estado: el líquido.

-Características del Estado Líquido: En los gases las moléculas se mueven rápidamente y en forma desordenada. En los sólidos, se mantienen juntas y en posiciones ordenadas. En cambio en los líquidos, es una forma intermedia entre ambos, las moléculas se mueven más lentamente que en los gases; pero las fuerzas intermoleculares las mantiene juntas dentro de un volumen definido. No obstante, la velocidad con que se mueven éstas, les impide formar un retículo cristalino (que sí se da en los sólidos), es por ello que un líquido retiene su volumen pero no su forma, es decir, que adquieren la forma del recipiente que los contiene. Tienen capacidad de flujo y son anisótropos al igual que los gases. Un cambio de P casi no altera a los líquidos, puesto que hay poco espacio entre sus moléculas; en cambio un aumento en la T °, modifica ligeramente su volumen, por lo que la densidad del líquido disminuye. Evaporación Las moléculas de un líquido tienen Energías Cinéticas que se distribuyen muy ampliamente y cuyo promedio queda determinado según la T °. Esta energía cambia cuando las moléculas chocan entre sí, o sea que pueden tener energías altas y bajas en cualquier momento. Es por ello que las moléculas ubicadas en la superficie de los líquidos poseen mayor Energía que el resto, es decir que escapan a las fuerzas de atracción de las otras moléculas, pudiendo así, escapar al exterior (transformándose en estado gaseoso) mediante la ayuda de calor exterior. Este proceso de “escape” se lo denomina Evaporación o Vaporización. La energía que reciben estas moléculas para escapar hacia el exterior se denomina Calor o Entalpía de Vaporización. Al producirse este escape de moléculas, la energía media de las mismas que quedaron en el líquido baja, por lo que la temperatura del mismo disminuye. Al evaporarse los líquidos de un sistema abierto, el calor fluye desde el exterior hacia la sustancia, para mantener su T °. De esta forma continúa el proceso de evaporación del líquido, pues se inserta energía a las moléculas más superficiales, con lo que vuelven a escapar. La velocidad de evaporación de un líquido aumenta cuando aumenta la T ° del mismo, pues existen mayor cantidad de moléculas con energía suficiente como para ubicarse cerca de la superficie y evaporarse. NOTA: La evaporación de líquido continúa hasta la eliminación del mismo, pues no existe restricción hacia el gas evaporado del mismo.

Presión de Vapor: Al restringirse la vaporización de un líquido, hay que considerar el proceso inverso al mismo: la condensación. Este proceso consiste en el paso de las moléculas evaporadas a su estado original, el líquido. Cuando las velocidades de vaporización y de condensación son iguales (a una T ° = cte.) se dice que el líquido está en equilibrio con su vapor, lo que significa que el vapor está saturado y la presión que ejerce el vapor en dicho estado de equilibrio se denomina Presión de Vapor (Pv). Debe de tener en cuenta que a T ° = cte. y siendo el mismo líquido, las Pv son iguales a pesar de que los volúmenes de vapor y líquido sean diferentes. Esto demuestra que la Pv sólo depende de la T °. Cuando la Pv es igual a la P externa , se forman burbujas en el interior del líquido. Este es el Punto de Ebullición del mismo (allí la T ° del líquido se mantiene cte. durante la ebullición del mismo). Si la P externa = 1 atm, la T ° del líquido en ese instante es el Punto de Ebullición Normal del mismo. NOTA: Recordemos que según la ley de presiones parciales de Dalton, en un recipiente con vapor será: P atmosférica = Pv + PH2O Ecuación de Clapeyron-Clausius: Nos permite calcular la presión de vapor para un líquido a una temperatura. d Pv/dT = Lv/T.(V vapor – V líquido) Donde:

d Pv/dT : representa la velocidad de variación de la P de vapor con la T Lv calor Latente de Vaporización (Hv). V vapor y V líquido: Volúmenes de Vapor y líquido T: temperatura absoluta Consideramos el volumen del líquido despreciable frente al volumen ocupado por el vapor y sustituimos el volumen por su equivalente en función de la presión. Que deducimos de la ecuación de estado, es decir Vapor = RT/P sustituyendo dPv/dT = LvP/T2R y agrupando variables: dPv/P = LvdT/T 2R como Lv y R son constantes y salen fuera de la integral. Si integramos entre dos puntos, obtendremos:

Ln (Pv2/Pv1) = - Lv.(1/T2 – 1/T1)/R Expresión que nos permite relacionar la presión de vapor a una T ª con la presión de vapor a otra Tª. Pv = e – Lv/(R*T) Mediante esta expresión observamos como la presión de vapor aumenta con la Tª. Tensión Superficial: Las moléculas superficiales están sometidas a fuerzas que las atraen hacia el interior de los líquidos. Es como si la superficie de los mismos estuviesen sometidos a una constante tensión, parecido a cuando una piel estrecha esta recubriendo una superficie. Dando lugar a que la superficie del líquido tienda a ser lo más pequeña posible A este fenómeno se lo denomina tensión superficial y es una de las causas por la cual los líquidos tienden a adoptar la forma geométrica más simple, o sea la esfera (es el caso de las gotas de líquido en caída libre).donde la envolvente es de área mínima. Esta tendencia a presentar un área mínima se traduce en que la superficie de los líquidos se comporta como una membrana tensa sobre la que será necesario desarrollar un trabajo para aumentar el valor de la superficie del líquido. Para producir un aumento dS de la superficie habrá que desarrollar un trabajo dW y la relación entre ambos vendrá dado por la expresión: dW= -σ dS (σ = característica de cada líquido es función de la temperatura y es independiente de la superficie del líquido en cuestión) Habrá tensión superfial siempre que estén en contacto dos fases. Cuando las fases en contacto son sólido-líquido la magnitud tensión superficial en la interfase depende además de las fuerzas intermoleculares entre las moléculas del líquido, de las fuerzas entre las moléculas del líquido y el sólido. A las fuerzas intermoleculares entre las moléculas de la misma sustancia o similares se les llama fuerzas cohesivas. A las fuerzas de interacciones entre moléculas de sustancias no semejantes se les llama fuerzas adhesivas. Un líquido moja a un sólido cuando las fuerzas adhesivas sólido-líquido son mayores que las fuerzas cohesivas en el interior del líquido. Así el agua moja un tubo de vidrio aumentando su superficie y ascendiendo por los lados del tubo debido a las grandes fuerzas adhesivas entre el agua y el vidrio, cuya estructura es similar. La superficie del agua EL MENISCO adquiere una forma cóncava. Por el contrario, el mercurio no moja al vidrio, porque sus fuerzas cohesivas son mucho mayores que las adhesivas. Por tanto, su menisco es convexo

Viscosidad: Es la resistencia que presentan los líquidos al desplazamiento en su seno de alguna porción del mismo, o podría decirse también que forma parte de un rozamiento interno del mismo, pues es una propiedad que se opone al movimiento de capas adyacentes que se alojen dentro del seno del mismo. La viscosidad se traduce en una mayor resistencia al movimiento en el interior del fluido. Así un frasco de aceite es más difícil de agitar que uno de agua porque el aceite es más viscoso que el agua. Los líquidos ideales carecen de viscosidad. En los reales, la viscosidad varía de unos a otros, siendo extrema en los líquidos superviscosos, también llamados sólidos amorfos, porque a la temperatura ambiente presentan el aspecto de sólidos sin que la ordenación interna de sus moléculas corresponda a la que es característica de los sólidos cristalinos.

El vidrio constituye un ejemplo de este estado intermedio de la materia. Aumentando la temperatura, disminuye su viscosidad y el material se reblandece, pasando a un estado líquido espeso. El alquitrán que se utiliza en el asfaltado de carreteras es otro ejemplo de sólido amorfo; en verano, al aumentar la temperatura, se llega a deformar por efecto de la presión que ejercen, sobre el firme, los vehículos pesados. ESTADO SÓLIDO. Desde el punto de vista de la ordenación de sus unidades estructurales se consideran dos tipos de sólidos: Sólidos amorfos y sólidos cristalinos. Sólidos amorfos : Constituyen un estado intermedio entre los cristales y los líquidos ya que tienen la rigidez de un sólido cristalino y el desorden de un líquido, es por esta razón que se les suele llamar líquidos subenfriados como por ejemplo: el vidrio, lacre, el caucho y muchos plásticos. No todos los sólidos considerados amorfos lo son totalmente. En muchos casos presentan cierto orden estructural, pudiendose hablar de un tanto por ciento de cristalinidad, que puede tener una gran influencia en sus propiedades. Tal es el caso de muchos polímeros como por ejemplo el polietileno de alta y baja presión. Como característica mas importante de estos sólidos es su isotropía (propiedades tales como indice de refracción, resistencia mecánica, conductividad… tienen el mismo valor en todas las direcciones del sólido al igual que ocurre en líquidos y gases y no ocurre en los sólidos cristalinos que son anisótropos.

Otra característica importante es que no tienen un punto de fusión definido. Así por ejemplo el lacre o el vidrio se ablandan gradualmente hasta que comienzan a fluir. Por ello es mas correcto hablar de intervalo de fusión o punto de reblandecimiento. Características de los sólidos cristalinos En sólidos cristalinos, las moléculas, átomos o iones que componen la sustancia considerada están unidas entre sí por fuerzas relativamente intensas, formando un todo compacto. La mayor proximidad entre sus partículas constituyentes es una característica de los sólidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto, dando lugar a una red cristalina. En ella las partículas ocupan posiciones definidas y sus movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vértices de la red en donde se hallan situadas. Por esta razón las sustancias sólidas poseen forma y volumen propios.

La mayor parte de los sólidos presentes en la naturaleza son cristalinos aun cuando en ocasiones esa estructura ordenada no se refleje en una forma geométrico regular apreciable a simple vista. Ello es debido a que con frecuencia están formados por un conjunto de pequeños cristales orientados de diferentes maneras, en una estructura policristalina. Los componentes elementales de una red cristalina pueden ser átomos, moléculas o iones, de ahí que no se pueda hablar en general de la molécula de un cristal, sino más bien de un retículo elemental o celdilla unidad, que se repite una y otra vez en una estructura periódica o red cristalina. Presentan anisotropía y punto de fusión definido. Las propiedades físicas de los sólidos, tales como temperatura de fusión, capacidad para conducir la corriente, resistencia a la deformación, dureza, etc., dependen de las características de las fuerzas de enlace que unen las entidades elementales: Así, los sólidos iónicos, como las sales, son duros y a la vez frágiles, con puntos de fusión altos. Aunque son malos conductores de la electricidad sus disoluciones, sin embargo, presentan una conductividad elevada. Los sólidos moleculares formados por moléculas apolares, como el Cl2, el H2 o el CO2, son blandos como corresponde a la debilidad de las fuerzas de interacción entre ellas (fuerzas de Van der Waals). Presentan un punto de fusión bajo lo que indica que sólo a bajas temperaturas, las débiles fuerzas ordenadores del enlace pueden predominar sobre el efecto disgregador del calor. Su conductividad eléctrica es extremadamente baja como corresponde a la ausencia de cargas libres. os sólidos formados por moléculas polares, como el agua, presentan características intermedias entre ambos tipos de sólidos, los iónicos y los apolares.

Las características del enlace metálico con un gas de electrones externos compartidos hace que los sólidos metálicos sean buenos conductores de la electricidad y del calor, y dúctiles y maleables, aunque con elevados puntos de fusión y ebullición. Un tipo de sólido de propiedades extremas lo constituyen los sólidos covalentes; están formados por una red tridimensional de enlaces atómicos fuertes que dan lugar a propiedades tales como elevados puntos de fusión, escasa conductividad y extraordinaria dureza. El diamante, que es carbono puro cristalizado, constituye un ejemplo de este tipo de sólidos.

Teoría de bandas en los sólidos Todos los sólidos cristalinos presentan una estructura periódica, por lo que un electrón genérico que se viese sometido a la influencia de la red cristalina poseería una energía potencial que variaría también de una forma periódica en las tres direcciones del espacio. Esta situación se traduce, de acuerdo con la mecánica cuántica, en que cada uno de los niveles de energía que correspondería a un átomo aislado se desdobla tanto más cuanto mayor es el número N de átomos constitutivos de la red, dando lugar a una serie de niveles prácticamente contiguos que en conjunto constituyen una banda de energía.

El número máximo de electrones que pueden ocupar una banda determinada viene limitado por el principio de exclusión de Pauli que indica que en cada nivel atómico se pueden acomodar, a lo más, dos electrones y siempre que sus espines respectivos sean opuestos; por tal motivo en una cualquiera de las bandas correspondientes a una red cristalina formada por N átomos iguales, podrán acomodarse como máximo 2N electrones.

Las bandas de energía en un sólido cristalino desempeñan el mismo papel que los niveles electrónicos de un átomo aislado e incluso se representan de la misma manera mediante las letras s, p, d, f, etc.; por tanto, la energía de un electrón en un sólido sólo puede tomar valores comprendidos en alguna de las múltiples bandas de energía del sólido.

En algunos tipos de sólidos las bandas pueden solaparse y en otros, sin embargo, los correspondientes diagramas de energía aparecen separados por espacios intermedios que representan valores de la energía que no pueden poseer los electrones; por ello se les denomina bandas prohibidas.

La teoría de bandas permite explicar con una excelente aproximación el fenómeno de la conducción eléctrica en los sólidos. En algunos sólidos, la última banda no está ocupada completamente, lo que permite a los electrones de esa banda ganar energía por la acción de un campo eléctrico externo y desplazarse por la red.

La mayor parte de los metales presentan, no obstante, bandas superiores incompletas que se superponen entre sí permitiendo, asimismo, la movilidad de los electrones que son excitados por un campo eléctrico. Este movimiento de cargas en el seno de la red cristalina constituye una corriente eléctrica.

Una gran mayoría tanto de sólidos iónicos como de covalentes, son malos conductores de la electricidad (aislantes). En ellos la banda más alta conteniendo electrones (banda de valencia) está completamente llena.

Ello supone, de acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, que los electrones no pueden ganar energía y saltar de un nivel a otro dentro de la banda, lo que equivale a restringir su movilidad al entorno de su núcleo atómico.

Además la siguiente banda vacía (banda de conducción) está lo suficientemente separada de aquélla como para que la banda prohibida no pueda ser salvada por la acción de un campo eléctrico ordinario. Tal circunstancia explica su reducida conductividad eléctrica.

Existen algunos sólidos como el silicio y el germanio que tienen una estructura de bandas semejante a la de los aislantes. Sin embargo, en ellos la banda prohibida que separa la de valencia, completamente llena, y la de conducción, completamente vacía, es estrecha, de modo que es posible excitar los electrones más altos de la banda de valencia y transferidos a la de conducción.

En tal caso se puede hablar tanto de una conducción por los electrones de la banda superior, como de conducción por los huecos que se generan en la banda inferior y que se comportan

como cargas positivas. Se trata de sólidos semiconductores. El hecho de que su banda prohibida sea estrecha permite bombear electrones a la banda de conducción sin más que elevar suficientemente la temperatura.

Los semiconductores constituyen los materiales sólidos clave en la fabricación de dispositivos electrónicos. Sus propiedades, mejoradas y aprovechadas gracias a la investigación básica y aplicada, no sólo han constituido un elemento clave en el desarrollo de la informática, la instrumentación científica de alto nivel y las telecomunicaciones, sino también en el diseño de aparatos electrodomésticos y de uso habitual.

SEMICONDUCTORES CON IMPUREZAS

Las propiedades eléctricas de los materiales semiconductores pueden mejorarse si se introducen en el momento de la formación del cristal algunos átomos de otra sustancia. Se forma entonces un semiconductor con impurezas. Así, cuando a un cristal de silicio se le añaden impurezas de arsénico aumenta su conductividad. Ello se explica como debido a que, mientras que cada átomo de silicio contribuye con sus cuatro electrones externos a la banda de valencia, los de arsénico contribuyen con cinco. Dado que en los semiconductores la banda de valencia está llena, ese electrón adicional ocupará niveles discretos de energía por encima de ella y muy próximos a la banda de conducción, lo que hace más fácil su promoción a dicha banda y mejora la capacidad de conducción eléctrica del cristal. Es posible, asimismo, inyectar en el cristal en formación átomos de impureza con menos electrones externos que el elemento semiconductor. Tal es el caso, por ejemplo, del galio, con tres electrones externos. Por la presencia de este tipo de impurezas aparecen nuevos niveles de energía vacantes en las proximidades de la banda de valencia que pueden ser ocupados por electrones excitados. Ello da lugar a la generación de huecos en dicha banda que contribuyen a la corriente eléctrica como si se tratara de cargas positivas. El semiconductor que resulta por la presencia de átomos como el arsénico, donadores de electrones extra, se considera del tipo n o negativo. Si los átomos de impureza, como en el caso del galio, son aceptores de electrones respecto del cristal, el semiconductor resultante es del tipo p o positivo. En los semiconductores del tipo n la conducción es por electrones y en los del tipo p es, sin embargo, por huecos. La unión p-n de dos semiconductores de tales características constituye un dispositivo electrónico fundamental de utilización amplia en la industria y que ha permitido reducir considerablemente el tamaño y el coste de aparatos basados en la electrónica. Transiciones en Sólidos:

En el cero absoluto existen casi todas las sustancias como estructuras cristalinas, pero a medida que aumenta la T °, estas estructuras comienzan a vibrar hasta que llegan a una T ° en donde se desarma la estructura y el sólido deja de serlo, para transformarse en líquido. A este proceso se lo conoce como fusión. Al proceso inverso, se lo denomina Congelación. Las Tf y T congelación son idénticas y a dichas T ° se hallan en equilibrio ambas fases (en este tramo la T ° se mantiene cte.). Por otra parte, la energía calórica que se necesita para realizar estos procesos se denomina Calor de Fusión (o de Congelación, según sea la conversión). Presión de Vapor en los Sólidos (Sublimación): La curva que indica la variación de la Pv en función de la T ° , para los sólidos, se denomina Curva de Sublimación. Esto se debe a que el paso desde el sólido hacia el vapor sin pasar por el líquido se lo denomina Sublimación. Análogamente puede hacerse pasar al vapor hacia el sólido, por medio del enfriamiento del vapor, siempre que se cumpla que: Pv < Pv sólido en la fusión. El cambio de estado en la materia va acompañado por una absorción de calor, que será el Calor Latente de Sublimación (Hs) , el cual viene relacionado con los calores de Fusión (H f) y de Vaporización (Hv), siempre que estén referidos a la misma T °: Hs = Hf + Hv

ESTRUCTURAS CRISTALINAS Es la distribución geométrica completa de las partículas que ocupan el retículo espacial. Entendiendo por retículo espacial es un sistema de puntos que representa los centros con entornos idénticos ocupados por las partículas en un cristal. Para describir un retículo espacial definimos la celda unidad del retículo. Es la parte del retículo que si se repite en las tres direcciones del espacio genera la red completa. Todos los cristales están comprendidos en siete categorías o sistemas cristalinos diferentes caracterizados por las longitudes relativas de los tres ejes y los valores de los ángulos que abarcan.

Sistemas cúbico

a=b=c

=90º

Ahora bien, para determinar completamente la estructura cristalina elemental de un sólido, además de definir la forma geométrica de la red, es necesario establecer las posiciones en la tetragonal a=bc celda de los átomos o moléculas que forman el sólido cristalino; lo que se denominan puntos =90º reticulares. Las alternativas son las siguientes

ortorrómbico =90º

abc

Celda primitiva o simple en la que los puntos reticulares son sólo los vértices del paralelepípedo. monoclínico abc =90º Celda centrada en las cara, que tiene90º puntos reticulares en las caras, además de en los vértices. Si sólo tienen puntos reticulares en las bases, se designan con las letras A, B o C abc 90º según sean las caras que tienen los dos triclínico puntos reticulares.

hexagonal b cde la90º Celda centrada en el cuerpo que tiene un punto reticular enael=centro celda, además de los vértices. =120º romboédrico 90º

a=b=c

Primitiva con ejes iguales y ángulos iguales ó hexagonal doblemente centrada en el cuerpo, además de los vértices. Combinando los 7 sistemas cristalinos con las disposiciones de los puntos de red mencionados, se obtendrían 28 redes cristalinas posibles. En realidad, como puede demostrarse, sólo existen 14 configuraciones básicas, pudiéndose el resto obtener a partir de ellas. Estas estructuras se denominan redes de Bravais.

Características de la celda unitaria En el caso más sencillo, a cada punto de red le corresponderá un átomo, pero en estructuras más complicadas, como materiales cerámicos y compuestos, cientos de átomos pueden estar asociados a cada punto de red formando celdas unitarias extremadamente complejas. En el primer caso, pueden obtenerse sencillamente diversas características de la red cristalina. Parámetro de red. Es posible determinar el valor del parámetro de red (longitud de los lados de la celda unitaria) sin más que localizar en la celda la dirección a lo largo de la cual los átomos entran en contacto. A estas direcciones se las denomina direcciones compactas.'

Número de coordinación. Es el número de átomos que se encuentran en contacto con un átomo en particular, o el número de átomos más cercanos. El máximo es 12. Factor de empaquetamiento. Fracción del espacio de la celda unitaria ocupada por los átomos, suponiendo que éstos son esferas sólidas. Factor de empaquetamiento = (átomos por celda)x(volumen átomo)/(volumen celda) Densidad. A partir de las características de la red, puede obtenerse la densidad teórica mediante la siguiente expresión: Densidad = (átomos por celda)x(masa atómica)/(Número de Avogadro)x(volumen celda

- Imperfecciones de los Cristales: - Defecto de Frenkel: Al moverse una de las partículas del retículo, la estructura se mueve por completo, quedando corrida de su formación original. - Defecto de Schottky: La partícula desplazada deja el lugar vacío, que es ocupada por otra partícula, con lo cual el corrimiento es de elementos y no de estructuras. - Impurezas: Cuando encontramos dentro de los cristales, elementos que no son propios del mismo. NOTA: para poder saber que tipo de estructura posee un cristal deberemos recurrir a los Rayos X, debido a que el tamaño de dichas retículas es sólo comparable con las longitudes de ondas de dichos rayos. El proceso consiste la difracción de los Rayos X sobre los cristales del elemento, produciéndose una imagen que permite obtener una idea de cómo se sitúan las partículas en ese elemento. REGLA DE LAS FASES Para describir el estado de equilibrio de un sistema de varias fases y diversas especies químicas deberemos conocer el número de variables intensivas independientes que definen el sistema. Para conocer este número se aplica la regla de las fases : L=C-F+2; donde L es número de variables intensivas independientes (grados de libertad), C el número de componentes químicos del sistema, y F el número de fases presentes en el sistema

Cuando en el sistema pueden ocurrir una o varias reacciones químicas (r), entonces el número de variables intensivas independientes se reduce en el número de reacciones que ocurren y la regla de las fases se transforma en: L=C-F+2-r Pero además si en el sistema existen relaciones debidas a la estequiometría o de conservación de la electroneutralidad del sistema, el número de variables intensivas independientes se reduce en un número correspondiente a estas relaciones que llamaremos a. La regla de las fases con todas estas restricciones queda definida por la siguiente ecuación: L=C-F+2-r-a

DIAGRAMA DE FASES PARA SISTEMAS DE UN COMPONENTE. Vamos a centrarnos en el estudio del equilibrio de fases en sistemas formados por un solo componente. Para especificar el estado termodinámico de un sistema formado por una sustancia pura el número variables intensivas independientes que hay conocer (grados de libertad) es: 

Si hay presente una fase, L=1componente-1fase+2=2 variables, es necesario especificar por ejemplo la P y la T



Si hay presente dos fases, L=1componente-2fases+2=1 variable, es necesario especificar sólo P o T



Si hay presente tres fases, L=1componente-3fases+2=0 variables

Por tanto podemos representar cualquier estado de equilibrio del sistema formado por una sustancia pura mediante un punto en un diagrama bidimensional de presión-temperatura. Este diagrama se denomina diagrama de fases. Un ejemplo del diagrama de fases de una sustancia pura se muestra en la figura Por tanto podemos representar cualquier estado de equilibrio del sistema formado por una sustancia pura mediante un punto en un diagrama bidimensional de presión-temperatura. Este diagrama se denomina diagrama de fases. Un ejemplo del diagrama de fases de una sustancia pura se muestra en la figura

En el diagrama de la figura las líneas AB, BD y BC corresponden a valores (P,T) en las que coexisten dos fases: 

En AB coexisten en equilibrio sólido y gas. La curva AB es la curva de presión de vapor del sólido



En BD coexisten en equilibrio sólido y líquido.



En BC coexisten en equilibrio líquido y gas.

El punto B marca los valores de P y T en los que coexisten tres fases, sólido, líquido y gas, y se denomina Punto Triple. Este punto, que indica la temperatura mínima a la que el líquido puede existir, es característico de cada sustancia, y puede emplearse como referencia para calibrar termómetros.

Definiciones: 

Punto de ebullición: se define punto de ebullición de un líquido a la presión P, como la temperatura a la cual la presión de vapor de equilibrio del líquido es igual a dicha presión, en el gráfico anterior para la presión P el punto de ebullición es T 2. La curva BC representa la presión de vapor del líquido en función de la temperatura, y/o la temperatura de ebullición en función de la presión



Punto de fusión: se define punto de fusión de un sólido a la presión P, como la temperatura a la cual el sólido y el líquido se encuentran en equilibrio a dicha presión, en el gráfico anterior para la presión P el punto de fusión de la sustancia será T 1.



Si la presión es de 1 atmósfera (o más correctamente, de 1 bar) a estos puntos se les denomina punto de ebullición y punto de fusión normales respectivamente.

Ejemplo de interpretación de la trayectoria de un proceso termodinámico en el diagrama P-T Veamos el proceso representado en la figura por el trazo naranja. Supongamos que se introduce en un recipiente cerrado provisto de un pistón una cierta cantidad de sustancia en fase gaseosa, a la temperatura y presión (T E, PE), representado en el diagrama de la figura por el punto E. De forma isotérmica es posible aumentar la presión del gas (disminuyendo el volumen del recipiente por medio del pistón), no observándose nada más que un aumento en la densidad del mismo, hasta alcanzar el punto F, en el que se observa como el gas comienza a condensar. En el punto F coexisten en equilibrio líquido y gas, luego sus potenciales químicos a esa P F y TF son iguales. A TF y una PPF el μgas es mayor que μlíquido por lo que es estable esta última fase Desde el punto G es posible por ejemplo disminuir la temperatura del líquido manteniendo la P constante hasta alcanzar el punto H, momento en el que el líquido comienza a solidificar. En este punto coexisten en equilibrio líquido y sólido, sus μ se hacen iguales y la disminución de energía del sistema se traduce en un aumento de la fase sólida, permaneciendo constate la P y la T hasta que ha solidificado todo el líquido. Una disminución posterior de la energía a P constante supondría el enfriamiento del sólido. Efecto de la presión y de la temperatura. Ecuación de Clapeyron. La ecuación de Clapeyron permite calcular la pendiente de una línea de equilibrio entre dos fases en el diagrama de fases P-T de un sistema de un componente. Ecuación de Clapeyron Consideraciones sobre la ecuación de Clapeyron



En un cambio de fase líquido-vapor, tanto ΔH como ΔV son positivos, por tanto la pendiente de la línea de equilibrio líquido-vapor es positiva. Lo mismo sucede con la línea sólido-vapor.



En un cambio de fase sólido-líquido, ΔH es positivo y en general ΔV también, por lo tanto la pendiente de esta línea también será positiva. Existen sin embargo algunas excepciones como el H2O, Ga o Bi debido a una disminución de volumen que sufren estos componentes al fundirse, en estos casos la pendiente de la línea de equilibrio sólido-líquido será negativa.



En el cambio de fase sólido-líquido ΔV es mucho menor que en los cambios de fase sólido-gas o líquido-gas. Por esta razón la pendiente en el primer caso es mucho mayor que en los últimos.



Equilibrio sólido-líquido Para estudiar los equilibrios de fase sólido-líquido, no puede utilizarse la ecuación de ClausiusClapeyron ya que para obtenerla se han realizado una serie de aproximaciones válidas cuando una de las fases que interviene es gas. En este caso la variación de la P de equilibrio cuando cambia la T se obtiene directamente a partir

de la ecuación de Clapeyron: Los valores de ΔHfus y de ΔVfus varían a lo largo de la curva de equilibrio sólido-líquido, las funciones de estado H y V son funciones de T y P, y por lo tanto lo son también ΔH fus y de ΔVfus. Sin embargo la elevada pendiente de esta línea en el diagrama P-T implica que a menos que P cambie en una cantidad considerable, la variación de T será muy pequeña, por tanto podemos tomar como aproximación:

1.3 DEFECTOS EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS MATERIALES. Un defecto cristalino es cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino. El cristal perfecto es un modelo ideal, en el que las diferentes especies (ya sean moléculas, iones u átomos neutros) están colocados de forma periódica y regular, extendiéndose hasta el infinito. En la realidad, cualquier cristal presenta defectos en este modelo ideal, empezando por el hecho de que no hay cristales infinitos. Son estos defectos cristalinos los que dan las propiedades más

interesantes de la materia, como la deformación plástica, la resistencia a la rotura, la conductividad eléctrica, el color, la difusión... DEFECTOS PUNTUALES (puntos defectuosos): Defectos puntuales: Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos. Estos defectos o imperfecciones, pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introducción de impurezas; o intencionalmente a través de las aleaciones. Huecos: Un Hueco se produce cuando falta un átomo en un sitio normal. Las vacancias se crean en el cristal durante la solidificación a altas temperaturas o como consecuencia de daños por radiación. A temperatura ambiente aparecen muy pocas vacancias, pero éstas se incrementan de manera exponencial conforme se aumenta la temperatura. Defectos intersticiales: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina. Los átomos intersticiales, aunque mucho más pequeños que los átomos localizados en los puntos de la red, aun así son mayores que los sitios intersticiales que ocupan; en consecuencia, la red circundante aparece comprimida y distorsionada. Los átomos intersticiales como el hidrógeno a menudo están presentes en forma de impurezas; los átomos de carbono se agregan al hierro para producir acero. Una vez dentro del material, el número de átomos intersticiales en la estructura se mantiene casi constante, incluso al cambiar la temperatura. DEFECTOS LINEALES (dislocaciones): Las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma sería perfecta. Generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidificación del material o al deformarlo. Aunque en todos los materiales hay dislocaciones presentes, incluyendo los materiales cerámicos y los polímeros, son de particular utilidad para explicar la deformación y el endurecimiento de los metales. Podemos identificar dos tipos de dislocaciones: la dislocación de tornillo y la dislocación de borde. Dislocación de tornillo: La dislocación de tornillo se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, torciéndolo y desplazando un lado del corte sobre el otro la distancia de un átomo. Dislocaciones de borde: Una dislocación de borde se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, separándolo y rellenando parcialmente el corte con un plano de átomos adicional. El borde inferior de este plano adicional representa la dislocación de borde. ENLACES ENTRE ATOMOS Y MOLECULAS

Los átomos se enlazan entre sí formando una gran diversidad de sustancias. Dichas sustancias poseen diferentes propiedades, que dependen, en parte, de las diferentes maneras en que se enlazan los átomos. Los enlaces son de dos tipos Primarios (asociados a la formación de moléculas)y Primarios(asociados a la atracción de moléculas) y permiten agrupar las sustancias en tres grandes grupos. En los enlaces primarios tenemos: IÓNICOS: Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos se encuentran con átomos no metálicos en este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal, transformándose en iones positivos y negativos, Al formarse iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas las llamamos enlaces iónicos.

COVALENTES: Los enlaces covalentes son las fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos no metálicos. Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo (electrones de valencia) y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos. Por tanto, los átomos no metálicos no pueden cederse electrones entre sí para formar iones de signo opuesto. En este caso el enlace se forma al compartir un par de electrones entre los dos átomos, uno procedente de cada átomo. El par de electrones compartido es común a los dos átomos y los mantiene unidos

METÁLICOS:

El enlace metálico involucra compartir electrones de la capa exterior por medio de todos los átomos para formar una nube de electrones general que abarca al bloque entero. Esta nube proporción las fuerzas de atracción para mantener juntos a los atomos y formar una estructura rígida y fuerte. Debido al modo que comparten electrones y a la libertad que tienen estos para moverse dentro del metal, el enlace metálico proporciona conductividad eléctrica buena.

Mientras que los enlaces primarios Involucran fuerzas de atracción de átomo con átomo, en un enlace secundario no hay transferencia ni se comparten electrones por lo que dichos enlaces son más débiles que los primarios.

EN LOS ENLACES SECUNDARIOS TENEMOS: Hay tres formas de enlaces secundarios que son: FUERZAS DIPOLARES: Se presentan en una molécula formada Por dos atomos con eléctricas Iguales y opuestas Las moléculas polares contiguas alinean de tal forma que el extremo negativo de uno de los este lo más próximo posible al extremos positivo del otro. De manera hay una atracción electroestática entre moléculas.

FUERZAS DE LONDON:

cargas se dipolos esta

Involucran fuerzas de atracción entre moléculas no polares es decir, los atomos en la molécula no forman dipolos en el mismo sentido que las fuerza anterior. Sin embargo, debido al rápido movimiento de los electrones en la órbita alrededor de la molécula, cuando ocurre que más electrones quedan en un lado de la molécula que en el otro se forman dipolos temporales. Esos dipolos instantáneos proporcionan una fuerza de atracción entre las moléculas del material

ENLACE DE HIDROGENO: sucede en moléculas que contiene atomos de hidrogeno enlazados en forma covalente e con otro átomo (el oxigeno), debido a que los electrones que necesitan completar la capa del átomo de hidrogeno se alinee en un lado de su núcleo, el lado opuesto tiene carga positiva que atrae a los electrones de los atomos de las moléculas vecinas.

ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Los atomos y las moléculas son los bloques de construcción de la mayoría de la estructuras de la materia. Cuando los materiales se solidifican a partir de un estado fundido, tienden a quedar cerca y a empacarse de forma muy comprimida, en muchos casos se arreglan por sí mismos en una estructura muy ordenada y en otros no tantos.

Existen dos estructuras materiales fundamentales:

CRISTALINAS: una estructura cristalina es aquella en la que los atomos se localizan en posiciones regulares y recurrentes en tres dimensiones donde el patrón puede repetirse millones de veces dentro de un cristal. TIPOS DE ESTRUCTURAS CRISTLINAS: En los metales son comunes tres tipos de estructura de red.

Cubica centrada en el cuerpo

cubica centrada en las caras

HEXAGONAL DE EMPAQUETAMIENTO COMPACTO

IMPERFECIONES EN CRISTALES

Hasta este momento se han estudiado las estructuras cristalinas como si fueran perfectas en ocasiones para satisfacer propósitos estéticos o de ingeniería se prefiere un cristal perfecto. Sin embargo, hay varias razones por la que una estructura de red cristalina puede no ser perfecta. Es frecuente que surja imperfecciones de manera natural debido a la incapacidad del material que se solidifica para continuar sin interrupción la repetición de la celda unitaria. Existen dos tipos de defectos o imperfecciones en las estructuras cristalinas. DEFECTOS PUNTUALES: involucran ya sea un solo átomo o varios de ellos entre los cuales encontramos: La vacancia: falta de un átomo dentro de la estructura de red. Defecto schottky: un par faltante de carga opuesta. Intersticio: distorsión de la red producida por la presencia de un átomo adicional estructura. Defecto frenkel: ocurre cuando un ion se retira de una posición y se inserta en una posición intersticial cuya ocupación no es normal por parte de dicho ion.

DEFECTO LINEAL: es un grupo conectado de defectos puntuales que forman una línea en la estructura de red. El defecto lineal mas importe es la dislocación que adopta dos formas: Dislocación de borde: es la arista de un plano adicional que existe en la red. Dislocación de tornillo: Es un espiral dentro de la estructura de red. Ambas tipos de dislocaciones surgen en l estructuras cristalina durante la solidificación, estas son útiles para explicar ciertos aspectos de comportamiento mecánico de los metales. DEFECTOS SUPERFICIALES: son imperfecciones que se extienden en dos direcciones para formar una frontera. DEFORMACION EN CRISTALES METALICOS Cuando un cristal se somete a fuerzas mecánicas que se incrementan en forma gradual, su respuesta s deformarse de modo elástico. Esto se parece a un alargamiento de estructura de red

sin que haya cambios en la posición de los atomos. Si se elimina la fuerza, la estructura de red regresa a su forma original. Si el esfuerzo alcanza un valor alto en relación con las fuerzas electrostáticas que mantiene a los atomos en su lugar ocurre un cambio permanente denominado deformación plástica donde los atomos se han movido de forma permanente y se ha establecido un equilibrio nuevo en la red. Uno de los mecanismos con lo que puede ocurrir la deformación plástica es el deslizamiento el cual implica un movimiento relativo de los atomos en los lados opuestos de un plano de red, el numero de estas direcciones de deslizamiento dependen del tipo de red. Las dislocaciones tienen un papel importante para facilitar el deslizamiento en los metales. Cuando una estructura de red que contiene una dislocación de borde se sujeta de una fuerza cortante el material se deforma con mucha más facilidad que si se tratara de una estructura perfecta. Las dislocaciones representan una situación benéfica y perjudicial. Debido a ellas el metal es más dúctil y alcanza con más facilidad la deformación plástica durante su manufactura. El maclado es la otra forma en que los cristales metálicos se deforman plásticamente, este se define como el mecanismo de deformación plástica en el que los atomos en un lado del plano cambian para formar un imagen de espejo en el otro lado del plano. GRANOS Y LÍMITES DE GRANOS TAMAÑO DE GRANO:

El grano cristalino hace referencia a la estructura cristalina de los materiales Los cristales se forman como consecuencia del proceso de enfriamiento de la masa líquida de los metales. Este proceso se puede dividir en dos etapas: una primera etapa sería la de enucleación y la segunda, la etapa de cristalización La primera etapa comienza con la aparición de un primer núcleo que actúa como creador del cristal durante el proceso de cristalización. Es necesario que presente un número determinado de átomos (25-100), la cifra varía en función de la temperatura ya que a altas temperaturas se necesitan más átomos para consolidar el núcleo, al cual se van añadiendo nuevos átomos y así se produce el crecimiento progresivo. Cada núcleo suele tener una orientación de crecimiento aleatoria

En la segunda etapa, la de cristalización, al ir disminuyéndose progresivamente la temperatura la cristalización avanza paulatinamente aumentando el tamaño de grano, más aumentará el tamaño cuanto más lento sea este enfriamiento. Esta etapa viene caracterizada por la velocidad de crecimiento que representa el aumento de peso del cristal por unidad de tiempo. Mientras exista fase líquida pueden producirse fenómenos de desplazamiento de los cristales es decir, si los cristales son menos densos que la fase líquida flotarán y habrá mayor número de ellos en la superficie mientras que si la densidad de los cristales es mayor que la de la fase líquida los cristales se hundirán y habrá por tanto mayor número de ellos en el fondo. CLASIFICACIÓN DE LOS TAMAÑOS DE GRANO. Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio.

LIMITES DE GRANO Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales de diferentes Orientaciones cristalográficas en materiales poli cristalinas. El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están uniformemente Separados, o sea que hay átomos que están muy juntos causando una compresión, mientras que otros están separados causando tensión. ESTRUCTURAS NO CRISTALINAS O AMORFAS. Las estructuras no cristalinas o amorfas consisten en partículas acomodadas en forma irregular y por esto no tienen el orden que se encuentra en los cristales (ejemplos de estas son el vidrio y muchos plásticos). las estructuras no cristalinas difieren de las cristalinas por la manera en que se funden: si controlamos la temperatura de una estructura cristalina cuando se está fundiendo, encontraremos que permanece constante. Las estructuras cristalinas o amorfas se suavizan y funden en un cierto rango de temperatura; es decir, no tienen un punto de fusión característico. La mayoría de las estructuras cristalinas son duras y rígidas y se caracterizan por tener altos grados de fusión y ebullición (debido a que es necesario entregar mucha energía para romper las uniones covalentes que forman la red cristalina), las estructuras, cristalinas al igual que los líquidos y gases, son isotrópicos, es decir sus propiedades son iguales en todas las direcciones. Esto se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de sus partículas, lo cual determina que todas las direcciones sean equivalentes. La característica más notoria de estos materiales es la ausencia de orden de largo alcance, lo cual significa que, al contrario de lo que ocurre en un cristal, el conocimiento de las posiciones atómicas de una región no nos permite predecir cuales serán las posiciones atómicas en otra región más o menos distante. LOS MATERIALES DE INGENIERIA.

Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales. Metales: en estado sólido los metales tienen estructuras cristalinas casi sin excepción las celdas unitarias de dichas estructuras siempre son BCC,FCC,HCP.los atomos de los metales se mantienen unidos mediante un enlace metálico lo que significa que sus electrones de valencia pueden moverse con libertad relativa, son buenos conductores térmicos y eléctricos tienen la propiedad de la opacidad y la reflectividad.

Cerámicos: Se caracterizan por tener enlaces Iónicos, Covalentes o ambos. Las propiedades generales que resultan de estos mecanismos de enlace incluyen: dureza y rigidez elevadas aun a altas temperaturas, fragilidad, aislantes, refractarios y químicamente inertes. Los cerámicos posen estructuras ya sean cristalinas o no cristalinas, y en el mismo material puede existir cualquier estructura. Polímeros: Una molécula de polímeros se mantienen unidas por enlaces covalentes. Un enlace secundario (de-van-der-waals) mantiene a las moléculas juntas dentro del material agregado. Existen tres clases de polímeros. Polímeros termoplásticos: Las moléculas consisten en cadenas largas con estructuras lineales. Estas estructuras pueden calentarse y enfriarse sin que se altere su estructura lineal. Polímeros termoestables: Las moléculas se trasforman en una estructura rígida y tridimensional al enfriarse a partir de su condición de plástico caliente. Los elastómeros: Tienen moléculas grandes con estructuras engarzadas al estirar y volver a engarzar las moléculas cuando se someten a fuerzas cíclicas se motiva a que el material agregado manifieste su comportamiento elástico característico. Los polímeros se caracterizan por su baja conductividad térmica, baja densidad y resistividad eléctrica elevada.la resistencia y la rigidez de los polímeros varia mientras que otros muestran un comportamiento muy elástico. IMPORTANCIA DE LAS DISLOCACIONES: Aunque en algunos materiales cerámicos y polímeros puede ocurrir deslizamiento, el proceso de deslizamiento es de particular utilidad para entender el comportamiento mecánico de los metales. En primer término, el deslizamiento explica por qué la resistencia de los metales es mucho menor que el valor predecible a partir del enlace metálico. Si ocurre el deslizamiento, sólo es necesario que se rompa en algún momento una pequeña fracción de todas las uniones metálicas a través de la interface, por lo que la fuerza requerida para deformar el metal resulta pequeño. Segundo, el

deslizamiento le da ductilidad a los metales. Si no hay dislocaciones presentes, una barra de hierro sería frágil; los metales no podrían ser conformados utilizando los diversos procesos, que involucran la deformación para obtener formas útiles, como la forja. En tercer lugar, controlamos las propiedades mecánicas de un metal o aleación al interferir el movimiento de las dislocaciones. Un obstáculo introducido en el cristal impedirá que en una dislocación se deslice, a menos que apliquemos mayor fuerza. Si es necesario aplicar una fuerza superior, entonces el metal resulta ser más resistente. Estos obstáculos pueden ser defectos puntuales o borde de grano. En cuarto lugar, se puede prevenir el deslizamiento de las dislocaciones achicando el tamaño de grano o introduciendo átomos de diferente tamaño, que son las aleaciones. En los materiales se encuentran enormes cantidades de dislocaciones. La densidad de dislocaciones, o la longitud total de dislocaciones por unidad de volumen, generalmente se utiliza para representar la cantidad de dislocaciones presentes. Densidades de dislocación de 10ˆ-6 cm/cm3 son típicas en los metales más suaves, en tanto que se pueden conseguir densidades de hasta 10ˆ-12 cm/cm3 deformando el material. Los defectos lineales, que son unidimensionales, se denominan también dislocaciones y dan lugar a una distorsión en la red centrada alrededor de una línea imaginaria. Se puede entender una dislocación como la línea frontera que une en el interior de un cristal los puntos atómicos con posición anormal. En ocasiones también se define como el límite entre dos regiones una de las cuales se ha desplazado con respecto a la otra. Estos defectos dan en metales, casi nunca en materiales iónicos y pueden generarse durante los procesos de solidificación del sólido cristalino, como consecuencia de una deformación plástica o permanente del cristal, por condensación de vacantes y por desajustes atómicos en disoluciones sólidas. El defecto lineal suele designarse por una “T invertida” (┴), que representa el borde de un semiplano extra de átomos. Esta configuración conduce por sí misma a una designación cuantitativa sencilla, el vector de Burgers, b. Este parámetro es simplemente el vector desplazamiento necesario para cerrar un circuito realizado por paso a paso alrededor del defecto. En el cristal perfecto, un circuito con m×n pasos atómicos se cierra en el punto inicial. En la zona de la dislocación, el mismo circuito no se cierra. El vector de cierre (b) representa la magnitud del defecto estructural. Esto lo podemos ver en la siguiente figura:

Figura 1.Definición del vector burgers, b, en: (a) una estructura cristalina perfecta donde el circuito de vectores se cierra en el punto de partida; (b) en una estructura cristalina con una dislocación

de borde donde en la zona de dislocación ese mismo circuito no cierra y es necesario un vector adicional, b; dicho vector representa la magnitud de la dislocación y se observa que es perpendicular a la línea de dislocación, t; (c) en una estructura cristalina con una dislocación de tornillo o helicoidal ; de nuevo en la zona de la dislocación el circuito de vectores no cierra y es necesario el vector de burgers, que de nuevo representa la magnitud de la dislocación; se observa que el vector burgers es perpendicular a la línea de dislocación, t. Se distinguen dos tipos: mixtas y puras (donde se incluyen las dislocaciones de cuña o borde y las de tornillo o helicoidales):  Puras 1. Dislocación de cuña, borde o arista. Es un defecto lineal centrado alrededor de la línea definida por el extremo del semiplano de átomos extra (Figura 2). Se representa por el símbolo ┴, o “te invertida”, haciendo referencia al borde del semiplano extra. En esta posición se dice que la dislocación de cuña es en sentido positivo o lo que es los mismo, el plano extra se ha insertado en la parte superior del plano de corte. Para representar la situación opuesta, se emplea el símbolo T (dislocación de cuña negativa). La dislocación de cuña genera una zona de esfuerzos de compresión donde se encuentra el semiplano extra de planos y una región de esfuerzos de tracción debajo de este semiplano. En la dislocación de cuña, el vector de Burgers el perpendicular a la línea de dislocación.

Figura 2 2. Dislocación helicoidal o de tornillo. Se puede formar en estructuras cristalinas perfectas por la acción de un esfuerzo cortante o de cizalladura (tangencial) sobre una de las caras hasta el deslizamiento parcial por un plano cortante (Figura 3). Ahora el reordenamiento atómico que se produce alrededor de la línea de dislocación da lugar a una forma de tornillo o hélice, de ahí el nombre que recibe esta dislocación. La red cristalina pasa de ser un conjunto ordenado de planos, a presentar superficies helicoidales cuyo eje vertical es la dislocación (apilamiento helicoidal de planos cristalinos en torno a la dislocación de tornillo). Se representa por el símbolo ⊗ cuando entra en el plano del papel, considerándose en este caso positiva. En caso contrario se denota por el símbolo ‫סּ‬ Aquí el vector de Burgers o de desplazamiento es paralelo a la línea de dislocación.

Figura 3  Mixtas Los dos tipos de dislocaciones definidas anteriormente son formas límites. Las dislocaciones que normalmente aparecen en los materiales reales son formas intermedias entre estas dos extremas y reciben el nombre de dislocaciones mixtas. En este caso, las dislocaciones tienen componentes de dislocaciones borde y tornillo. Se muestra un ejemplo en la Figura 4. La línea de dislocación es de tipo tornillo puro cuando entra en la estructura cristalina y de tipo borde puro cuando sale de ella. En el interior de la estructura cristalina, la dislocación pasa a ser de tipo mixto, con componentes de borde y de tornillo. Por tanto, el vector de Burgers de la dislocación mixta no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación pero mantiene una orientación fija en el espacio, que es compatible con las definiciones previas en las formas de dislocación de borde y de dislocación helicoidal.

Figura 4  Medida de las dislocaciones Virtualmente todos los materiales contienen algunas dislocaciones que son introducidas durante la solidificación, la deformación plástica, o como consecuencia de tensiones térmicas que resultan del enfriamiento rápido. La forma de indicar la cantidad de dislocaciones que presenta un material es mediante la densidad de dislocaciones o longitud total de dislocaciones por unidad de volumen, y se indica en unidades de cm/cm3 o sencillamente por nº de dislocaciones por cm-2. Para un metal sin deformar suele ser habitual una densidad de dislocación de 106 cm-2, duplicándose este número para el metal deformado plásticamente (en torno a 1012 cm-2). La visualización de las mismas se realiza por procesos de Microcalorimetría o Microscopía electrónica de transmisión.

 Importancia de las dislocaciones El proceso de deslizamiento de las dislocaciones es de especial importancia para conocer el comportamiento mecánico de los metales. En primera lugar, permite explicar el por qué el esfuerzo teórico necesario para deformar plásticamente (o permanentemente) un material, es mucho mayor que el valor necesario observado en la práctica. En efecto, el deslizamiento provocado por los movimientos de las dislocaciones, provoca una mayor facilidad de ruptura de uniones atómicas lo que implica una menor fuerza requerida para la deformación plástica del metal. Por tanto, la presencia de dislocaciones, facilita la deformación plástica de un metal y cuantos más sistemas de deslizamiento posea, mayor facilidad presentará. En segundo lugar, el deslizamiento de las dislocaciones, confiere a un metal ductilidad, propiedad relacionada con el mecanismo antes expuesto. Por último, se puede aumentar la resistencia de un metal, controlando el movimiento de sus dislocaciones. Un obstáculo introducido de forma voluntaria en el metal, impedirá que las dislocaciones se deslicen, a menos que se aplique mayor fuerza de deformación, lo que implica que el material sea más resistente. Las distintas formas de aumentar la resistencia de los metales y sus aleaciones, se basan en este hecho, aumentar el número de dislocaciones del material e impedir o anclar su deslizamiento.

2.1 FENOMENOS DE LA SOLIDIFICACION. La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura o por una compresión de este material. Es el proceso inverso a la fusión, y sucede a la misma temperatura. Ejemplo de esto es cuando colocamos en el congelador agua, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, o en pocas palabras, aumenta el volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos. También se llama solidificación al proceso de endurecimiento de materiales como el cemento o la arcilla, en esos casos al deshidratarse a temperatura constante. En el diagrama adjunto, faltaría concretar lo que es "licuefacción", que es paso a líquido. Se dice que el azúcar se licúa cuando al calentarse pasa de estado en granos cristalizados a ser un líquido marrón, de alta viscosidad.

Cuando una sustancia se encuentra en estado sólido y es receptora de calor, su temperatura aumenta, y el estado de agitación de sus moléculas se incrementa. Si continuamos con este calentamiento, la agitación molecular se vuelve tan intensa que los enlaces entre las moléculas se rompen. A partir de entonces, la energía que se transfiere en forma de calor ya no se utiliza para aumentar la agitación molecular, pero, para la ruptura de los enlaces moleculares. Estos enlaces

se rompen moleculares en las moléculas de dar mayor movimiento, la caracterización de la fusión o de estado líquido.

libertad de transición al

En física y química se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso.

La siguiente tabla indica cómo se denominan los cambios de estado.

Inicial

\Final

Sólido

Sólido Líquido

solidificación

Gas

sublimación regresiva

Líquido

Gas

fusión

Sublimación progresiva

o

sublimación

evaporación y ebullición inversa

o condensación licuefacción

y

También se puede ver claramente con el siguiente gráfico.

Los dos parámetros de los que depende que una sustancia o mezcla se encuentre en un estado o en otro son temperatura y presión. La temperatura es una medida de la energía cinética de las moléculas y átomos de un cuerpo. Un aumento de temperatura o una reducción de la presión favorecen la fusión, la evaporación y la sublimación, mientras que un descenso de temperatura o un aumento de presión favorecen los cambios opuestos.

Límites 4.500 ºC — No hay sólidos. 6.000 °C — No hay líquidos (solo gases). 10.000 °C — Sólo plasma.

FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN FUSIÓN es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado SÓLIDO al LÍQUIDO, por aumento de la temperatura. La temperatura a la cual sucede dicho cambio se la llama PUNTO DE FUSIÓN. SOLIDIFICACIÓN es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado LÍQUIDO al SÓLIDO, por disminución de la temperatura. QUÉ CAMBIOS OBSERVAMOS EN UNA VELA Al encender una vela vemos que la cera cercana a la llama comienza a derretirse (se vuelve líquida, se funde, o sea ha alcanzado el PUNTO DE FUSIÓN). Cuando la cera líquida se aleja de la llama de la vela disminuye su temperatura y vuelve al estado sólido, se solidifica, o sea ha alcanzado el PUNTO DE SOLIDIFICACIÓN

También podemos observar el fenómeno de fusión cuando se derrite el HIELO, un HELADO. El ejemplo más claro de SOLIDIFICACIÓN lo observamos cuando colocamos AGUA en el congelador, y la misma pasa del estado LÍQUIDO al SÓLIDO.

VOLATILIZACIÓN Y SUBLIMACIÓN

VOLATILIZACIÓN es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado SÓLIDO al GASEOSO, por aumento de la temperatura, sin pasar por el estado líquido intermedio.

SUBLIMACIÓN es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado GASEOSO al SÓLIDO, por disminución de la temperatura, sin pasar por el estado líquido intermedio. VOLATILIZACIÓN - SUBLIMACIÓN Sólo algunas sustancias pueden pasar del estado SÓLIDO al GASEOSO y del GASEOSO al SÓLIDO, sin pasar por el estado líquido intermedio.

Comercialmente esta propiedad es aprovechada en la NAFTALINA, que tiene facilidad para pasar del estado SÓLIDO al estado de VAPOR. Calentamos en un vaso de precipitados el IODO SÓLIDO, veremos que se transforma en VAPOR, sin pasar por el estado LÍQUIDO, este proceso se llama VOLATILIZACIÓN. Este vaso de precipitados lo tapamos con una superficie fría, en este caso un balón al que le agregamos agua, para evitar que el vapor de iodo eleve peligrosamente su temperatura. El VAPOR de IODO chocará con el fondo del balón, y la rápida disminución de la temperatura hará que el IODO vuelva al estado SÓLIDO en la forma de pequeños cristales, que podremos observar si levantamos, como se muestra a la izquierda, el balón EBULLICIÓN Y VAPORIZACIÓN EBULLICIÓN es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado LÍQUIDO al estado de VAPOR. Para que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido. A la temperatura durante la cual se dice que un determinado líquido hierve se la llama PUNTO DE EBULLICIÓN. Cuando se realiza una destilación, para separar dos o más líquidos de diferente punto de ebullición, la temperatura permanece constante en el punto de ebullición de cada uno de los líquidos que se desea separar de la mezcla.

CUANDO HERVIMOS AGUA EN UNA OLLA Al calentar agua en una cacerola la temperatura de toda su masa empieza a aumentar, observamos al cabo de un tiempo que en la superficie hay burbujas y desprendimiento de vapor, entonces toda la masa de agua cambia de estado, se ha alcanzado el PUNTO DE EBULLICIÓN. EVAPORACIÓN es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado LÍQUIDO al estado de VAPOR. La diferencia con el anterior es que en la EVAPORACIÓN el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido.

CUANDO SERVIMOS UN CAFÉ o TÉ El líquido (café o té) que se encuentra en la superficie pasa al estado de vapor, se EVAPORA.

La Evaporación se produce por aumento de la temperatura en la superficie del líquido como en los ejemplos citados. Otro ejemplo similar podría ser el agua de mar, que en su superficie pasa al estado de vapor. Este fenómeno también puede ocurrir por acción del viento, facilitando que se seque la ropa. Si no existiera no usaríamos perfumes o colonias, no podríamos percibir el olor de las comidas con facilidad. LICUEFACCIÓN LICUACIÓN Y CONDENSACIÓN LICUACIÓN es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado GASEOSO al LÍQUIDO, por aumento de presión. EL GAS ENVASADO Cuando compramos un encendedor a gas, o una garrafa, el gas contenido dentro de cualquiera de ellos se encuentra en estado líquido. Para que el gas pueda envasarse en estado líquido debió ser sometido a presión, mediante el proceso denominado LICUACIÓN. CONDENSACIÓN es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado de VAPOR al LÍQUIDO, por disminución de la temperatura.

EL VAPOR CHOCA CON UNA SUPERFICIE FRÍAEl vapor al chocar con una superficie más fría, disminuye su temperatura, y vuelve al estado líquido original, este proceso se llama CONDENSACIÓN. Esto podemos observarlo cuando el vapor de agua para preparar pastas choca contra la tapa de la cacerola, donde formará pequeñas gotas que cubren la tapa; cuando en un baño cerrado nos bañamos con agua caliente, el vapor de agua choca contra los azulejos, los espejos, que son superficies frías, formando pequeñas gotitas de agua que cubren azulejos y espejos.

Solidificación La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido. Es el proceso inverso a la fusión.En general, los compuestos disminuyen de volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos; en el caso del agua incluso aumenta. Fusión (cambio de estado) La fusión es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado sólido al estado líquido. Es el proceso inverso a la solidificación. Condensación Se denomina condensación al proceso físico que consiste en el paso de una sustancia en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la ebullición. Aunque el paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente se llama condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición, el proceso se denomina licuefacción. La condensación es un proceso regido con los factores en competición de energía y entropía. Mientras que el estado líquido es más favorable desde el punto de vista energético, el estado gas es el más entrópico. Esto tiene dos consecuencias inmediatas: 1. La condensación se produce al bajar la temperatura (por ejemplo, con el rocío en la madrugada), esto es, al primer el factor energético frente al entrópico. 2. La condensación, a una temperatura dada, conlleva una liberación de energía. Esto tiene parte de la responsabilidad de la sensación de temperatura mayor en un ambiente muy cálido y muy húmedo: la humedad que condensa en nuestra piel nos está transmitiendo un calor adicional. Adicionalmente, esta humedad hace inútil el proceso natural de refrigeración por sudor y evaporación. El fenómeno de sublimación progresiva Los sólidos tienen presiones de vapor características, que oscilan con la temperatura como sucede con líquidos. Acrecentando la temperatura, aumenta también la presión de vapor del sólido. El suceso de la estabilización de un sólido con vapor saturado, que varía su presión con la temperatura, a esa inflexión se llama curvatura de sublimación. Se determina como sublimación el indicar la conversión directa sólido-vapor, sin la intervención líquida. Por ejemplo, la purificación del yodo, azufre, naftaleno o ácido benzoico resultan muy viables por sublimación, debido a que las presiones de vapor de estos sólidos tienen valores bastante elevados.

Los olores característicos de muchas sustancias sólidas, como las nombradas, son debidos a que estas sustancias tienen una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente. Otro ejemplo es el más común para ilustrar sublimación es a través de hielo seco, que es el nombre común que se le da al CO2 congelado. Cuando el hielo seco se expone al aire, éste se comienza a sublimar, o a convertirse en vapor. Esto le pasa al hielo seco porque a temperatura ambiente el gas congelado prefiere ser gas y no sólido congelado. El fenómeno de sublimación regresiva o inversa Es el proceso inverso a la sublimación progresiva, es decir, el paso directo de gas a sólido. Por ejemplo, cuando se producen vapores al calentarse cristales de yodo y luego se pone sobre ellos un objeto que está muy frío; entonces, los vapores se transformarán nuevamente en cristales de yodo. Cualquier sustancia pura puede sublimarse, esto debido a condiciones de bajas presiones y temperaturas a la que se produce dicha transición. En la naturaleza la sublimación inversa se observa en la formación de la nieve o de la escarcha. Las partículas partiendo de las cuales se produce la acreción o acrecimiento planetario, se forman por sublimación inversa a partir de compuestos en estado gaseoso originados en supernovas. Evaporación (proceso físico) La evaporación es el proceso físico por el cual átomos o moléculas en estado líquido pasa al estado gaseoso, por haber tomado energía suficiente para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, éste es un proceso paulatino, y no es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. La evaporación es un fenómeno importante e indispensable en el ciclo de la vida. El más conocido: el del agua, que se transforma en nube y vuelve en forma de lluvia, nieve o rocío, necesita esta etapa. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido calentándose, una fracción de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturante, la cual depende de la temperatura. Si la cantidad de gas es inferior a la presión de vapor saturante, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: eso es la evaporación. 2.2 ALEACIONES Y DIAGRAMAS DE FASE.

Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre) Mayoritariamente las aleaciones son consideradas mezclas, al no producirse enlaces estables entre los átomos de los elementos involucrados. Excepcionalmente, algunas aleaciones generan compuestos químicos. Se clasifican teniendo en cuenta el elemento que se halla en mayor proporción (aleaciones férricas, aleaciones base cobre, etc.). Cuando las ales antes no tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeña proporción, mientras que si únicamente se mezclan metales, el ale antes pueden aparecer en proporciones similares. Propiedades Micrografía de acero eutectoide (perlita). Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades mecánicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad y otras pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales. Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase. Hay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes. Preparación Históricamente, la mayoría de las aleaciones se preparaban mezclando los materiales fundidos. Más recientemente, la pulvimetalurgia ha alcanzado gran importancia en la preparación de aleaciones con características especiales. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión. El resultado es una aleación sólida y homogénea. Los productos hechos en serie pueden prepararse por esta técnica abaratando mucho su costo. Entre las aleaciones que pueden obtenerse por pulvimetalurgia están los cermets. Estas aleaciones de metal y carbono (carburos), boro (boruros), oxígeno (óxidos), silicio (siliciuros) y nitrógeno (nitruros) combinan las ventajas del compuesto cerámico, estabilidad y resistencia a las temperaturas elevadas y a la oxidación, con las ventajas del metal, ductilidad y resistencia a los golpes. Otra técnica de aleación es la implantación de ion, que ha sido adaptada de los procesos utilizados para fabricar chips de ordenadores o computadoras. Sobre los metales colocados en una cámara de vacío, se disparan haces de iones de carbono, nitrógeno y otros elementos para producir una capa de aleación fina y resistente sobre la superficie del metal. Bombardeando titanio con nitrógeno, por ejemplo, se puede producir una aleación idónea para los implantes de prótesis. La plata, el oro de 18 quilates, el oro blanco y el platino son aleaciones de metales preciosos. La aleación antifricción, el latón, el bronce, el metal Dow, la plata alemana, el bronce de torpedo, el monel, el peltre y la soldadura son aleaciones de metales menos preciosos. Debido a sus impurezas, el aluminio comercial es en realidad una aleación. Las aleaciones de mercurio con otros metales se llaman amalgamas.

Aleaciones más comunes Ornamento de Electro. Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son: Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,008 y el 1,7% en peso de su composición, sobrepasando el 1.7% (hasta 6.67%) pasa a ser una fundición. Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa Alnico: Formada principalmente de cobalto (5.24%), aluminio (8-12%) y níquel (15-26%), aunque también puede contener cobre (6%), en ocasiones titanio (1%) y el resto de hierro. Alpaca: Es una aleación ternaria compuesta por zinc (8-45%), cobre (45-70%) y níquel (8-20%) Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %. Constantán: Es una aleación, generalmente formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel. Cuproníquel: Es una aleación de cobre, níquel y las impurezas de la consolidación, tales como hierro y manganeso. Cuproaluminio: Es una aleación de cobre con aluminio. Latón: Es una aleación de cobre con zinc. Magal: Es una aleación de magnesio, al que se añade aluminio (8 o 9%), zinc (1%) y manganeso (0.2%). Magnam: Es una aleación de Manganeso que se le añade Aluminio y Zinc. Nicrom: Es una aleación compuesta de un 80% de níquel y un 20% de cromo. Nitinol: titanio y níquel. Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel. Peltre: Es una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo. Plata de ley

Zamak: Es una aleación de zinc con aluminio, magnesio y cobre.

MATERIALES METÁLICOS Tipo de sustancia: Los metales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos. Pudiendo también contener algunos elementos no metálicos. Los elementos metálicos pueden estar formando parte de compuestos organometálicos. Ejemplos de metales: Hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio. Clasificación: Los metales y aleaciones clasifican en ferrosas y no ferrosas, atendiendo a que en su composición exista Fe o no. A su vez se subdividen en: FERROSAS: -Aceros: Contienen entre 0,05-2% de peso en C. -Aceros inoxidables: Requieren aleación de elementos para evitar ser dañados por ambientes corrosivos. -Hierro fundido: Contenido en Fe superior al 2%. Las propiedades mecánicas son inferiores.

NO FERROSAS: -Aleaciones de Al, Mg, Ti, Cu, Ni y Zn. -Materiales refractarios. -Metales preciosos. Estructura cristalina:

Entorno al 90% de los metales cristalizan al solidificar en 3 estructuras cristalinas de empaquetamiento compacto: BCC (Empaquetamiento cúbico compacto centrado en el cuerpo) ·Posee los átomos de la celdilla unidad, en los vértices del cubo y en el centro del mismo. ·El número de átomos es por celdilla unidad. Los átomos contactan entre sí a lo largo de la diagonal del cubo. ·El IC es 8 ya que el átomo central se encuentra rodeado de 8 átomos vecinos. ·El factor de empaquetamiento atómico es del 68%, quiere decir que el espacio ocupado en una celdilla unidad es del 68% y el resto espacio vacío. ·Ej: Fe, Cr (a temperatura ambiente), W FCC (Empaquetamiento cúbico compacto centrado en las caras) ·Posee los átomos de la celdilla unidad en los vértices y en el centro de cada cara. ·El número de átomos por celdilla unidad es 4. ·El IC es12. Los átomos contactan a lo largo de la cara. · El factor de empaquetamiento atómico es del 74%, reflejando que los átomos están lo más compacto posible. ·Contactan a lo largo de la diagonal de la cara. ·Ej: Fe, Cr, Pb (a elevadas temperaturas) HCP (Empaquetamiento hexagonal compacto) Átomos ocupan los vértices del hexágono, centro de las caras hexagonales superior e inferior y centro de 3 caras hexagonales. ·El número de átomos por celdilla unidad es 6. ·El IC es 12. · El factor de empaquetamiento atómico es del74%. Empaquetados lo más juntos posible. Propiedades:

Tipo de enlace interatómico: -metálico conformando estructura cristalina específica de los metales. El enlace metálico involucra la compartición de todos los electrones deslocalizados que producen un enlace no direccional. ·Resistencia aceptable hasta media temperatura. ·Buenos conductores del calor y la electricidad. ·Tenaces y deformables, en general. ·Altas densidades. -Propiedades MECÁNICAS: Determinan cómo responde el material al aplicarse una fuerza o esfuerzo. ·Resistencia mecánica: suelen ser duros y resistentes. La dureza es la resistencia de un metal a la deformación permanente en su superficie. La resistencia es la tensión máxima alcanzada en el diagrama de tensión-deformación Ductibilidad: son dúctiles y maleables. La ductilidad es considerada una variante de la plasticidad, es la propiedad que poseen ciertos metales para poderse estirase en forma de hilos finos. La maleabilidad es la posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo, quiere decirse que puede batirse o extenderse en forma de planchas o láminas. Impacto: Resistencia a ser rayados y a la rotura. -Propiedades FÍSICAS: Dependen de la estructura y procesamiento del material, describen características como, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerzas que actúan sobre el material.

Punto de fusión:

Todos son sólidos a Tª ambiente, excepto el Hg. que es líquido a esta temperatura. El punto de fusión varía de –39 ºC. del Hg a los 3410ºC. del W. Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse. Conductividad térmica y eléctrica: Los metales son, en general, buenos conductores eléctricos y térmicos, ya que el empaquetamiento es muy compacto y la E se transmite de unos átomos a otros. Con impurezas se reduce la conductividad térmica y también eléctrica, porque disminuye la eficiencia del movimiento de los electrones. Propiedades ópticas: Viene determinada por la interacción entre el material y la radiación EM en forma de ondas o partículas de E. Al interaccionar la radiación con la estructura electrónica o cristalina de los metales crean varios efectos ópticos. Los metales reflejan y/o absorben fuertemente la radiación incidente desde λ larga hasta mitad de la región del UV-Visible. La cantidad de energía absorbida depende de la estructura electrónica de cada metal. Los metales son opacos y tienen alta reflectancia. La mayoría son de color grisáceo, pero algunos son de colores distintos como el Bi que es rosáceo, Cu rojizo y Au amarillo. ·Propiedades magnéticas: El comportamiento magnético está condicionado por los dipolos que están dados por la estructura electrónica del metal, por lo que al cambiar la microestructura cambia las propiedades. El Fe, Ni y Co son fácilmente magnetizables por lo que son utilizados como imanes permanentes. Son ferromagnéticos, debido a que los niveles de E están parcialmente ocupados por los dipolos que al aplicar un campo magnético se alinean en la misma dirección de éste. Se mejoran estas propiedades introduciendo defectos en la microestructura. Aplicaciones: Las aplicaciones de los metales son innumerables. La principal aplicación se centra en el ámbito de la construcción, son útiles en aplicaciones estructurales donde deben soportar cargas.

También en la electricidad, porque los metales son conductores y permiten el paso de la corriente a través de ellos, son capaces de soportar tensiones eléctricas importantes; sin ella no habría luz. Uno de los materiales más utilizados es el Cu. En los medios de comunicación y sistemas industriales, la mayoría de los aparatos modernos y equipos que son fabricados con diferentes metales y aleaciones. Como hemos podido apreciar a lo largo del trabajo los metales juegan un rol muy importante en nuestras vidas ya que si nos ponemos a pensar muchas de las cosas que nos rodean y utilizamos diariamente, están fabricadas de metal o son aleaciones.

Las aleaciones Pb-Sn y Pb-Sn-Sb pueden verse sin ataque, pero opcionalmente pueden atacarse con Nital-2. Estas aleaciones se utilizan generalmente para estañado, para falsa soldadura. En general, se conoce con el nombre da falsa soldadura de los metales, a la unión de dos metales lograda por la interposición de otro metal o aleación de más bajo punto de fusión. Metal de soldadura, o metal infiltrante, que ha de reunir unas características que podrían resumirse en las siguientes:

 El metal de infiltración ha de mojar los dos metales que pretenden ser unidos; ha de tener una colabilidad para rellenar el espacio de unión entre ambos metales, y ha de tener la capacidad de alearse con los metales que pretende unir.  El Sn forma soluciones sólidas con la mayor parte de los metales; de tal modo que en la superficie de contacto entre una aleación de soldadura Pb – Sn y el metal base se produce una difusión parcial que permite una unión que resiste a la tracción entre 2 y 5 Kg/mm 2. Como es lógico, los metales soldados con estaño, estañados, no es conveniente trabajen a tracción. Pero, en cambio, para otro tipo de uso, la unión entre ambos metales por soldadura al estaño es muy buena. Por ejemplo, para el estañado de botes de conservas de hojalata. Se distinguen dos tipos de Pb – Sn para soldadura: uno de ellos, el empleado para solidificación “franca”, también conocido con el nombre de soldadura al estaño, es el tipo cuya composición química corresponde a la eutéctica; es decir: 62 % de Sn y el resto Pb. Por tratarse de una eutéctica, presenta una excelente colabilidad, la mejor de todo el sistema Pb – Sn, ya que tiene el punto de fusión más bajo. Sin embargo, debido a la gran diferencia de precio entre el Sn y

el Pb, se utilizan a veces aleaciones de 50 % de Sn, e incluso menos Sn, para este tipo de aplicación. Excepto para soldar botes de conserva en hojalata, porque los elevados contenidos en Pb pueden dar productos de corrosión nocivos. El otro tipo de aleación recibe el nombre de soldadura al Pb o soldadura por solidificación “pastosa”. Se utiliza, sobre todo, para unir tubos de Pb. El intervalo de solidificación es máximo para el 81 % de Pb, y la aleación que generalmente se utiliza as la 80 – 81 % de Pb, puesto que la existencia de este gran intervalo de solidificación puede ser utilizado para, en “estado pastoso”, mezcla del líquido y cristal, unir, por ejemplo, tubos de plomo.

Otra sistema Pb – aleación de 10 y resto Pb, recibe el Metal Terne, y para recubrir chapas de vayan a ser techumbres; y revestir la superficie depósitos de de automóviles.

aleación del Sn, es la a 25 % de Sn aleación que nombre de que se usa superficies de acero que utilizadas en también para interiormente de los combustible

Presentamos, para su observación micrográfica, tres probetas del sistema Pb – Sn, La elección de estas muestras no ha sido condicionada por motivaciones de tipo práctico, por ejemplo, mostrar la estructura micrográfica de cada una de las aleaciones del sistema Pb – Sn que hemos enumerado hace poco, sino más bien presentar tres aleaciones, dos de ellas hipoeutécticas en Sn y otra hipereutéctica en Sn. La aleación Pb-1, tiene de composición química 70 % de Pb y 30 % de Sn. A 100 × puede observarse la presencia de un constituyente primario oscuro que es, precisamente, la solución sólida de Sn en Pb. Cristaliza en el sistema cúbico de caras centradas, al igual que el Pb; y este constituyente primario se halla embebido en un constituyente matriz, que es precisamente la eutéctica de este

sistema. Eutéctica de 62 % de Sn, que está constituida por solución sólida de Sn en el Pb, de 19 %, y solución sólida de Pb en el Sn, hasta un contenido del 2,5 % en Pb.

Observando el diagrama de equilibrio puede estimarse, aproximadamente, la proporción entre el constituyente disperso y el constituyente matriz o eutéctica; y poder compararse, admitiendo que el volumen específico de ambos fuera igual y que las áreas observadas fueran representativas de los volúmenes reales, puede observarse la proporción de eutéctica y constituyente matriz.

Diagrama Pb – Sn La siguiente aleación, Probeta Pb-2, tiene de composición química 50 % de Pb y 50 % de Sn. Observando el diagrama de equilibrio todo indica que, en este caso, la estructura será similar a la anterior pero con mayor proporción de eutéctica. Efectivamente, a 100 ×, se ve la solución sólida α como constituyente primario o disperso, su pequeña proporción con relación al constituyente matriz, eutéctico, que es más numeroso. Aumentando las posibilidades de observación,

observando por ejemplo a 500 ×, se aprecia la naturaleza discontinua de la eutéctica; uno de cuyos constituyentes, como puede verse, es de la misma naturaleza que el constituyente disperso, es decir: es la solución sólida α.

La siguiente aleación del sistema Pb – Sn, la aleación Pb-3, puesto que la aleación que hemos observado hace un instante, recibe el nombre de Pb-2, la denominación arbitraria que hemos adjudicado a este ejercicio práctico; la aleación Pb-3 tiene de composición 10 % de Pb y 90 % de Sn. La aleación de 90 % de Sn, observando el diagrama de equilibrio, está constituida por un constituyente disperso, que será la solución sólida de Pb en el Sn, constituyente β, y un constituyente matriz que será la eutéctica considerada en observaciones anteriores. La proporción de eutéctica ha de ser muy inferior a la proporción del constituyente disperso; cosa que, efectivamente, puede verse a 100 ×. A 500 ×, y observando los espacios interdendríticos, vemos el constituyente complejo eutéctico formado por solución sólida β y solución sólida α, como en todas las otras aleaciones del sistema Pb – Sn. Si encontramos alguna diferencia entre esta eutéctica y la observada anteriormente, se debe sin duda al ataque químico. Las aleaciones ricas en Pb, como la aleación Pb-1, se atacan con Nital al 2 %; en tanto que la aleación Pb-3 se ataca con solución alcohólica de cloruro férrico, aunque puede también observarse sin necesidad de ataque, en estado pulido.

Aleaciones de magnesio El magnesio es un elemento metálico situado en el octavo lugar en abundancia en la corteza terrestre (2,33% en peso). Sus principales minerales son dolomita (el carbonato doble de magnesio y calcio), magnesita (MgCO3), carnalita y olivino. El magnesio metálico se produce a partir de sus minerales por reducción térmica con carbono, silicio u otros reductores o bien mediante electrólisis del cloruro de magnesio en mezclas de sales fundidas. Como polvo, es extremadamente reactivo pero como sólido se oxida lentamente al aire y reacciona lentamente en el agua. El magnesio es un reductor poderoso y se emplea en la obtención de muchos metales a partir de sus sales: uranio y otros (titanio, etc.). Entre sus múltiples aplicaciones está su uso como desoxidante para el cobre, el latón y aleaciones de níquel. También se añade a varias aleaciones de aluminio. Es la base de aleaciones duras y ligeras utilizadas en la industria automóvil y aeronáutica (motores). Se han investigado aleaciones con zirconio y torio para la construcción de aviones. Se aplica como ánodo de sacrificio en la protección catódica y también como desulfurante en fundiciones y níquel. Su extremadamente baja densidad (1,74 g/cm3), incluso menor al aluminio (2,70 g/cm3), le otorga importantes ventajas en el campo de las aleaciones ligeras donde generalmente se encuentra aleado con aluminio, manganeso, cobre, litio, cinc, circonio y elementos lantánidos. Estas aleaciones poseen además, adecuadas características de mecanización y moldeo, empleándose en diversas piezas con aplicaciones aeronáuticas y automotrices. Algunos ejemplos de piezas en vehículos livianos son válvulas y engranajes de distribución, bridas, bastidores de cajas de transmisión y embragues, radiadores, accesos de lámparas, carcasas de motores, etc.; en aeronáutica, las aleaciones base magnesio son ampliamente empleadas.

Las aleaciones de magnesio son muy fáciles de mecanizar, pueden ser conformadas y fabricadas por la mayoría de los procesos de trabajado de metales. A temperatura ambiente, el magnesio se endurece por deformación en frío rápidamente, reduciendo la conformabilidad en frío; de este modo, el conformado en frío esta limitado a deformación moderada o curvado por rodillo de gran radio. Las fundiciones de las aleaciones de magnesio son dimensionalmente estables hasta aproximadamente los 95°C. Las coladas de molde permanente (permanent mold-casting) son tan resistentes como las de molde de arena (sand-casting), y pueden proporcionar tolerancias dimensionales más ajustadas, con mejor terminación superficial. Las aplicaciones típicas de la colada por gravedad son componentes de motores de aviación y llantas de vehículos de competición. El diseño de partes de magnesio por colada inyectada sigue los mismos principios establecidos para otros metales. Las máximas propiedades mecánicas en una aleación típica son desarrolladas en un rango de espesor de pared entre 1,9 y 3,8 mm. El magnesio es fácil de trabajar en caliente, por lo que usualmente requiere menos etapas de forjado que otros metales. Curvado, calado y terminado son usualmente las únicas operaciones que se necesitan. Una típica aplicación del forjado de magnesio son los anillos de acoplamiento en fuselajes de misiles. Las formas usuales de extrusión incluyen perfiles redondos, cuadrados, rectangulares y hexagonales; ángulos, vigas y canales; y una variedad de tubos. Ejemplos de extrusiones de magnesio son bastidores de carga y estructurales para cubiertas militares. Las aleaciones base magnesio son designadas generalmente por dos letras mayúsculas (tabla 1) que representan los dos aleantes principales. La primera indica el de concentración más alta. Dos números siguen a estas letras, cada uno representa el contenido porcentual de los elementos señalados, por ejemplo, la aleación ZH31 tiene como aleante principal cinc (letra Z), el primer número indica que este elemento está en un 3%, además la aleación contiene torio (letra H) en un 1%.

Además de las primeras dos letras y dos dígitos, si después se incluye una letra, esta expresa que la composición ha sido modificada, la misma letra indica el elemento que ha sido alterado. Frecuentemente los elementos Al y Zn están presentes en las aleaciones base magnesio para forja y también en las de colada. Torio y circonio se emplean en aleaciones base magnesio para uso a mayores temperaturas. Las designaciones para el grado de endurecimiento

en estas aleaciones son las mismas empleadas en las aleaciones de aluminio y se agregan después de las especificaciones de composición (tabla 2).

Diagramas de fase. Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición. Diagrama isomorfo (Solubilidad Sólida Completa): Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos. En los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada. Información que podemos obtener de los diagramas de fase: Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Temperaturas de líquidus y de sólidus:

La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus. Se debe calentar una aleación por encima de líquidus para producir una aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidus. La temperatura de sólidus es la curva inferior. Una aleación de este tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por debajo de la temperatura de sólidus. Si se utiliza una aleación cobre-níquel a altas temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura durante el servicio permanecerá por debajo de la temperatura de sólidus, de manera que no ocurra fusión. Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el líquidus y el sólidus. La diferencia de temperatura entre líquidus y sólidus se denomina rango de solidificación de la aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una sólida. El sólido es una solución de átomos de los compuestos involucrados; a las fases sólidas generalmente se les designa mediante una letra minúscula griega, como alpha. Fases presentes: A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases están presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes. Composición de cada fase:

Cada fase tiene una composición, expresada como el porcentaje de cada uno de los elementos de la fase. Por lo general, la composición se expresa en porcentaje en peso (% peso). Cuando está presente en la aleación una sola fase, su composición es igual a la de la aleación. Si la composición original de la aleación se modifica, entonces también deberá modificarse la de la fase. Sin embargo, cuando coexisten dos fases como líquido y sólido, sus composiciones diferirán entre sí como de la composición general original, Si ésta cambia ligeramente, la composición de las dos fases no se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.

Lo usual es, entonces, trabajar con diagramas termodinámicos. Estos representan en forma gráfica las propiedades termodinámicas de sustancias reales. Los diagramas más comunes que se emplean son: 

Diagrama p-V (diagrama de Clapeyron):



Este es uno de los más comunes. Tiene las siguientes propiedades de interés: el área bajo la curva representa el trabajo sin trabajo de flujo



En un ciclo cerrado, si el ciclo se recorre a favor de los punteros del reloj, el trabajo intercambiado es positivo (ciclo motriz).



Si se recorre en contra de los punteros del reloj, el trabajo intercambiado es negativo (ciclo que absorbe trabajo).



Diagrama T-S (temperatura-entropía o Diagráma Entrópico):



es muy empleado, pues (si las evoluciones son reversibles) el área encerrada por el ciclo o bajo la curva representa los calores intercambiados.



Diagrama H-S (entalpía-entropía o Diagrama de Mollier):



También es diagrama común, pues permite representar con facilidad evoluciones reales y estudiar las variaciones de entalpía. Esto último es clave al momento de estudiar intercambios de calor y trabajo basándose en el primer principio.

Si, para un diagrama dado, se escogen las variables principales en forma adecuada, es posible deducir todas las variables termodinámicas de importancia a partir de las propiedades que aparecen en el diagrama.

En los próximos párrafos presentaremos en cierto detalle cada uno de estos diagramas. El estudio de ellos se hará vía el análisis de lo que ocurre en centrales térmicas.

En este ejemplo (compresión de 1 a 2), el trabajo de compresión será el área V1-1-2-V2 si no hay trabajo de flujo y el área p1-1-2-p2 en el caso con trabajo de flujo. En ambos casos está el supuesto de compresión sin roce. En el caso de un sistema con cambio de fase la representación p-V es un poco más compleja. Esta la podemos ver ilustrada en la siguiente figura. La curva de cambio de fase está en negro. Se define una campana celeste que es la zona donde se produce el cambio de fase. A la izquierda (en azul) está la zona de líquido saturado y a la derecha la zona de vapor sobrecalentado (color damasco). Las líneas que aparecen son isotermas. De ellas destaca la isoterma crítica. Cuando el vapor de agua está sobre esa temperatura crítica (K), por mucho que se comprima el vapor, este no condensa. Esto define la zona amarilla de Gas. También se debe tener claro que en la fase líquida, las isotermas son casi verticales. Esto se debe a que el agua es un fluido casi incompresible.

En rigor la ecuación de estado de un fluido es una superficie entre sus variables principales. En un diagrama p-V la ecuación de estado de un gas perfecto se puede representar por una sucesión de hipérbolas pV = Cte, que corresponden a isotermas. 7.2.2 Diagrama T-S:

El diagrama T-S tiene varias propiedades interesantes que lo hacen util para visualizar procesos y ciclos. A continuación ilustraremos algunas de estas propiedades importantes.

En un diagrama T-S un ciclo de Carnot queda representado por dos horizontales (isotermas) y dos verticales (isentrópicas). Por

lo

tanto

un

ciclo

de

Carnot

es

un

rectángulo

(

Ver

próxima

figura).

. Además el área encerrada dentro de un ciclo (o bajo la curva) representa los calores intercambiados con el exterior o en cada evolución. Lo anterior se debe a que si la evolución es reversible, se cumple que dQ = T·dS. En el ejemplo que se ilustra, el calor absorbido es el área S1-2-3-S2 y el calor cedido es el área S1-1-4-S2. Un concepto interesante que surge de este diagrama es el de Ciclo de Carnot correspondiente. Si en un diagrama T-S se traza un ciclo cualquiera, el rectángulo que circunscribe al ciclo es el ciclo de Carnot correspondiente. La diferencia de área entre ambos ciclos representa la pérdida de eficiencia entre el ciclo real y el Carnot correspondiente. Este concepto nos será de mucha utilidad al estudiar los ciclos típicos de Centrales Térmicas. Aspectos Generales:

De los fluidos termodinámicos de importancia a estudiar, sin duda el agua y vapor de agua es uno de los esenciales. El agua es un excelente fluido desde el punto de vista de que es abundante, no tóxico, barato y además transporta importantes cantidades de energía si hay cambio de fase. Debemos distinguir varias zonas de importancia para el estudio termodinámico de las propiedades del agua. Estas son:

o Zona del Sólido: es la zona que corresponde a las propiedades del hielo.Veremos un diagrama de fase que muestra las diferentes zonas y tipos de hielo que existen o Zona del líquido: incluye la interfase sólido líquido. Hablaremos un poco de estos cambios de fase. o Zona de vapor: estudio elemental de la campana de cambio de fase y zona de vapor sobrecalentado. o Zona de gas: es la zona en que estamos sobre la temperatura crítica. Si bien en los párrafos que siguen nos referiremos en especial al agua y vapor de agua, muchas de las ideas y conceptos que se exponen son aplicables a otros fluidos. Zona del Sólido:

El hielo de agua tiene una estructura cristalina muy compacta. A medida que las condiciones de presión y temperatura varían, se pueden formar diferentes estructuras cristalinas. En la siguiente figura vemos ilustrado una superficie que representa las propiedades del agua en la zona del sólido (hielo):

Propiedades del Hielo en diagrama a diferentes presiones y temperaturas

p-V-T

En la figura podemos ver que para presiones y temperaturas corrientes existe el llamado hielo I, pero a presiones elevadas aparecen diversas fases nuevas de hielo.

Zona de Líquido:

Aprovecharemos de definir algunos conceptos básicos: o Líquido saturado: se dice que el líquido está saturado si al agregar energía (calor), una fracción de él pasa a la fase vapor. A presión ambiente (1 bar) esto ocurre a los 100ºC de temperatura. La energía agregada produce un cambio de fase y es un aporte de calor latente. o Líquido subsaturado: en este caso al agregar energía al líquido, esto se traduce en un aumento de temperatura. La energía agregada produce un cambio de temperatura y es un aporte de calor sensible. En este caso hay aumento de volumen en la solidificación. También podemos ver que a medida que nos alejamos de la temperatura crítica (Cr en la figura) el comportamiento del fluido se asemeja más aun gas perfecto. Zona de Vapor y Gas:

En la siguiente fihura se visualiza la superficie p-V-T que representa las propiedades del agua y vapor de agua en todo un rango de presiones y temperaturas. Al proyectar las curvas sobre una superficie p-T se obtienen las líneas de cambio de fase: fusión (cambio de sólido a líquido); vaporización (cambio de líquido a vapor); sublimación (cambio de sólido a vapor). El punto de encuentro entre estas tres líneas define el punto triple que es donde coexisten en equilibrio las fases sólido, líquido y vapor.

Diagrama de Mollier: En este acápite abordaremos el estudio del Diagrama de Mollier y las Tablas de Vapor. Como tal se ha estructurado el acápite de la siguiente forma: o Aspectos generales de diagrama de Mollier: representación H-S, zonas principales en el diagrama, rectas de condensación. o Uso práctico de diagrama de Mollier: como utilizar el diagrama en el caso de las evoluciones más usuales. o Tablas de vapor y su uso: presentación general de las tablas. Uso de ellas en casos típicos de ciclos de vapor.

Después de este estudio general pasaremos al estudio de los ciclos de vapor más usuales. Aspectos Generales del Diagrama de Mollier:

En la siguiente figura (hacer click sobre ella para verla más grande y con mayores explicaciones) se visualiza el diagrama H-S para el agua y vapor de agua llamado también Diagrama de Mollier.

Diagrama de Mollier Uso práctico del Diagrama de Mollier:

En este párrafo daremos las indicaciones más básicas para el uso de este diagrama. Mayores detalles se veran en los párrafos sobre los ciclos termodinámicos de vapor. Aspectos generales:

En la figura se ilustra el diagrama de Mollier en general. Al usar los ejes H-S se tiene la enorme ventaja de que es sencillo poder determinar los intercambios de calor y trabajo para casi cualquier evolución. Basta aplicar el primer principio. En efecto: H = Q - Wtec Si la evolución es adiabática, la variación de entalpía da directamente el trabajo técnico realizado. Además si la evolución es sin roce, será una identrópica (vertical).

b) Zona de campana de cambio de fase:

Dentro de la campana de cambio de fase se debe tener claro que las isotermas y las isóbaras se confunden en una línea única que llamamos rectas de condensación. En el diagrama se lee directamente la presión. Para leer la temperatura es necesario subir por la recta de condensación y leer la temperatura en x=1 (línea de vapor saturado).

Las otras líneas de importancia en esta zona son las líneas de igual título. Definiremos al título x del vapor como: x

= liq. + vap. satur.

Masa

Vapor

saturado

c) Zona de vapor sobrecalentado:

En esta zona se separan las isóbaras de las isotérmicas. Además de la información obvia que se extrae directamente del diagrama (Entalpía y Entropía en un punto), se puede además obtener información adicional. En efecto se puede: 

Calor específico a presión constante: En la zona de vapor sobrecalentado la pendiente de la isóbara está relacionada con Cp, en efecto Cp = dQ/dT ; por lo tanto si uno supone un calentamiento isobárico se tiene que dQ = dH o bien Q = H para un valor de T razonable (por ejemplo 5 a 10ºC).



Calor específico a volumen constante: Si en el diagrama de Mollier aparecen las isócoras (líneas de volumen específico constante) tamién es posible obtener los valores de Cv en diferentes partes de la zona de vapor sobrecalentado usando un método análogo al anterior.

d) Uso básico del diagrama:

En la explicación que sigue, supondremos que están usando el diagrama de Mollier que empleamos en clases. Este tiene unidades MKS y es un diagrama que representa solo una zona de interés especial.

2.3 ESTUDIO DE LOS ACEROS DE CARBONO. DIAGRAMA Fe-Fe3C. Cuando el hierro está aleado con el carbono en proporciones menores que el 2% de carbono se denomina acero al carbono. La proporción de carbono y el tratamiento térmico del acero determinan sus propiedades, en cuanto a dureza y resistencia mecánica, por lo que una gran parte del acero se fabrica con un estricto control del contenido de carbono y se somete a tratamiento térmico posterior, para darle las cualidades apropiadas de acuerdo al futuro uso. El carbono es un acompañante casi obligado, ya que la propia producción del hierro desde las menas, se realiza haciendo arder dentro de un horno con tiro forzado de aire, una mezcla de mineral y carbón. La temperatura generada durante el proceso hace que algunos de los acompañantes indeseados del mineral se combinen con el oxígeno del aire formando óxidos que flotan en el material fundido (escorias) unos, o gases que escapan al exterior otros, al mismo tiempo que los óxidos de hierro (principal componente de los minerales de hierro) se reducen a hierro, al reaccionar el carbono incandescente con el oxígeno del mineral para escapar como dióxido de carbono por la chimenea. Naturalmente, durante este proceso una parte del carbono se disuelve y retiene en el hierro. Este carbono retenido puede interactuar con la estructura cristalina del hierro de acuerdo a la cantidad y velocidad de enfriamiento, deformándola en mayor o menor grado y con esto haciendo el material final más o menos duro y/o resistente. Durante el enfriamiento del acero recién fabricado, la velocidad de enfriamiento ha sido lenta, el hierro ha tenido tiempo de "ignorar" la presencia del carbono y ha formado una estructura

cristalina bien definida, por lo que el material es blando y maleable, facilitando su mecanización para dar forma a la pieza que se construya con él. Luego la pieza terminada se somete al tratamiento térmico conocido como temple, lo que de manera simplificada significa, que la pieza se calienta por encima de los 800 grados Celsius y luego se enfría rápidamente (generalmente con agua), en este caso la estructura cristalina se establece de manera rápida y el carbono queda incluido dentro de la red deformándola y endureciendo notablemente el acero final aunque mucho más quebradizo y frágil.

De acuerdo a la cantidad de carbono los aceros pueden clasificarse en:

1.- Aceros de bajo carbono (menos del 0.30%). 2.- Aceros medios en carbono (entre 0.30 y 0.50 %).

3.- Aceros de alto carbono (más de 0.5%).

Los aceros de bajo carbono no adquieren dureza notable durante el temple, solo mejoran sus propiedades mecánicas (resistencia y rigidez), los de medio contenido pueden adquirir dureza apreciable y mucha mayor resistencia y los de alto carbono endurecen notablemente y se tornan frágiles. En el diagrama de equilibrio o de fases, se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones. Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas. El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se

agregan con propósitos determinados. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al acero, son quebradizas y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas. En el diagrama de fase del Fe se observa las formas alotrópicas del hierro sólido, BCC y FCC, a distintas temperaturas: Hierro alfa (α): Cristaliza a 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono.

Hierro gamma (γ): Se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono y es una variedad de Fe magnética.

Hierro delta (δ): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

Según el porcentaje de carbono las aleaciones Hierro-Carbono puede clasificarse en: Aceros %C ≤1.76%. Fundiciones %C≥1.76% – 6.667%C El carbono puede presentarse en tres formas distintas en las aleaciones: En solución intersticial. Como carburo de hierro. Como carbono libre o grafito. El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro−carbono fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del

diagrama están expuestos en las obras de I. Kornilov. Las aleaciones hierro−carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química. El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro−carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas: Fe−Fe3C (metaestable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito). Fe−C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito). Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe−Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas (Fe−Fe3C y Fe−C). Temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. Muestra la porción de interés del sistema de aleación hierro − carbono. Esta la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro, Fe3C, que contiene 6.67 % de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro − carburo de hierro. Este no es un verdadero diagrama de equilibrio, pues el equilibrio implica que no hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito).

Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la Figura #01. Las fases que pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las líquidas, hierro ð, hierro γ y cementita (otra fase, hierro δ, no se considera en el diagrama simplificado de la figura # 01). La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo, dentro de los límites de composición del diagrama. La cementita o carburo de hierro (Fe3C), es un compuesto químico de hierro y carbono que tiene 6.7 por ciento de este último elemento. Es uno de los componentes del sistema y, como tal, limita la cantidad de carbono que puede estar presente (100 por ciento de cementita equivale a 6.7 por ciento de carbono). La cementita es una fase extremadamente dura y frágil de una estructura cristalina compleja; no disuelve cualquier cantidad mensurable de carbono. El otro componente del diagrama, el hierro, existe e dos isótropos sólidos o formas definidas de cristal. El hierro alfa, que es el isótropo a la temperatura ambiente, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, que se conoce también con el nombre de ferrita y constituye una fase suave y dúctil. El hierro gamma, o ausentita tiene una estructura cúbica centrada en las caras y a veces se considera que es menos dúctil y ligeramente más dura que la ferrita, aunque, en realidad, no puede efectuarse una comparación verdadera. El hierro gama existe a temperaturas superiores a las que se encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de hierro disuelven al carbono y los símbolos ð y γ se usan para representar, tanto al hierro puro, como a las soluciones sólidas de carbono en el hierro. Es

conveniente hacer notar que, aunque el hierro gamma contiene hasta 2.0 por ciento de carbono, el hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por ciento de carbono. Las fases mencionadas arriba son también constituyentes. Además de éstos, existen otros dos constituyentes, la ledeburita y la perlita. La primera es el nombre que se da a la composición eutética sólida; se presenta únicamente en el hierro colado y, después de la transformación que se lleva a cabo al enfriarse a la temperatura ambiente. La lebedurita transformada consiste en colonias de perlita en una red continua (llamada matriz) de cementita. Enfriamiento lento de las aleaciones de hierro y carbono. Estudie el siguiente enfriamiento lento de varias aleaciones distintas de hierro y carbono, en las que existe una correlación entre las propiedades y la microestructura. Vea figura #03. Cuando un acero contiene 0.3 por ciento de carbono, se enfría desde una temperatura superior a 2800 ºF (1540 ºC), la solidificación comienza a unos 2775 ºF (1524 ºC), con la formación de una solución sólida que contiene casi 0.10 por ciento de carbono. Al reducirse más todavía la temperatura, se forma una mayor cantidad de sólidos y va quedando menos líquido, hasta finalmente se solidifica del todo. La austenita sólida tiene la misma composición del líquido del que se formó, y contiene 0.3 por ciento de carbono. A 1550 ºF (843 ºC), se producen cristales homogeneos equiaxiales de austenita, como se demuestra en la figura #03 (b) (4). A unos 1500 ºF (816 ºC), una nueva fase, la ferrita, comienza a precipitarse de los granos de austenita. A formación de núcleos de la nueva fase aparece principalmente en los límites de los antiguis granos de austenita (Este es un modo común de comportamiento. Bajo condiciones de equilibrio, generalmente se forman nuevas fases en el límite de los granos de aquellas que están presentes. En este ejemplo a la nueva fase se le llama proeutectoide por que ésta sobre enfriamiento, a prior de la formación de la estructura eutectoide. En aceros hipoeutectoides, la ferrita es proeutectoide; en aceros hipereutectoides, la cementita es proeutctoide.) conforme la temperatura se acera a 1333 ºF (724 ºC), aumenta la cantida de ferrita y su composiciónvaría hacia el 0.03 por ciento de carbono. Al mismo tiempo, la cantidad de austenita se reduce y su composcición se acerca al 0.8 por ciento de carbono. A 1400 ºf (760 ºC), la austenita tiene una composición de de 0.6 por ciento de carbono y la ferrita 0.02 por ciento de carbono. De acuerdo con el principio de la palanca, el porcentaje de austenita es (0.28/0.58)*100=48% γ, y el porcentaje de ferrita es (0.30/0.58)*100=52% ð. A 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone del 36 por ciento de γ que contiene 0.8 por ciento de carbono y 64 por ciento de ð que, a su vez, contiene 0.03 por ciento de carbono. A 1333 ºF (724 ºC), la austenita restante experimenta una transformación en la estructura eutectoide conocida con el nombre de perlita. La perlita se forma siempre a partir de la austenita a 1333 ºF (724 ºC) en condiciones de equilibrio. Puesto que a esta temperatura la austenita contiene invariablemente 0.8 por ciento de carbono, la perlita en la que se transforma contiene siempre 0.8 por ciento de carbono. La perlita se compone de 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita. La composición de la perlita puede determinarse mediante el uso de la regla de la palanca, utilizando 0.8 por ciento de carbono como la ubicación del punto de apoyo, 0.02 por ciento de carbono como la composición de ð y 6.7 por ciento de carbono como la composición de la cementita. Así pues, a temperaturas inferiores a 1333 ºF (724ºC), la estructura final correspondiente a una composición total de 0.3 por ciento de carbono consiste en una fase ð grande (64 por ciento) y continua, y una cantidad más pequeña (36 por ciento) de perlita. La

cantidad de perlita es la misma que la de austenita de la que se formó: esto es, γ, que existía a temperaturas levemente superiores a 1333 ºF (724ºC). Está presente en la aleación que estamos estudiando, como islas de perlita aisladas en un mar de ferrita. Estas islas se denominan con frecuencia colonias de perlita y el mar, matriz. La microestructura que existe inmediatamente después de la transformación de la austenita en perlita, se mantiene básicamente invariable al enfriarse a la temperatura ambiente. Cuando la composición total es del 0.8 por ciento de carbono, la solidificación se inicia alrededor de los 2700 ºF (1485 ºC) y concluye aproximadamente 2500 ºF (1370 ºC). A una temperatura muy levemente superior a 1333 ºF (724 ºC), la estructura consiste en cristales homogéneos de austenita que contienen 0.8 por ciento de carbono. A exactamente 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en una estructura totalmente perlática cuya composición y forma es la anteriormente descrita. En condiciones que se acercan al equilibrio, la transformación de austenita en perlita se produce a una temperatura constante. Para esta composición en particular (0.8 por ciento de carbono), no existe una fase continua masiva correspondiente la ferrita de aleación de 0.3 por ciento de carbono. Es este caso, como en los de enfriamiento equilibrado, la perlita consta de 88 porciento de alfa y 12 por ciento de cementita y contiene 0.8 por ciento de carbono.

Al enfriar acero derretido que contiene 1.1 por ciento de carbono, la solidificación se inicia a aproximadamente 2675 ºF (1470 ºC). A 1500 ºF (816 ºC), la austenita homogénea comienza a precipitar cementita en los límites de los granos. La formación de la nueva fase sigue el mismo patrón que la precipitación de la ferrita en la austenita: la mayor parte de la formación de núcleos se registra alrededor de los límites de los granos. Es así como se forma la red de cementita que rodea los límites de grano, conforme sale de la solución una cantidad cada vez mayor de cementita. A una temperatura de 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone de un 95 por ciento de γ y 5 por ciento de Fe3C. Estos porcentajes se determinan mediante la aplicación de la regla de la palanca: Cantidad de γ = [ (6.7-1.1) / 6.7-0.8)] * 100 = 95 por ciento La cantidad de Fe3C es: Fe3C = [(1.1 - 0.8) / (6.7 - 0.8)] * 100 = 5 por ciento Al descender la temperatura por debajo de 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en perlita como siempre lo hace a esta temperatura. La red de cementita no se ve afectada por la disminución de temperatura; por lo tanto, la estructura final se compone del 95 por ciento de perlita rodeada de una red delgada de cementita. Puesto que la perlita que se forma lentamente tiene siempre la misma composición y estructura, debe contener 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita.

Veamos el enfriamiento de una aleación derretida de hierro y carbono que contiene 2.5 por ciento de carbono. En esta aleación los núcleos de austenita comienzan a formarse a aproximadamente 2425 ºF (1330 ºC), como puede observarse en la figura # 03. Conforme se desarrolla el enfriamiento, aumenta la cantidad de sólidos hasta que, ligeramente por encima de 2066 ºF (1130ºC), la masa consta de 78 por ciento de gamma y 22 por ciento de líquido. Este contiene 4.3 por ciento de carbono y se conoce como la composición eutética. Al disminuir la temperatura por debajo de 2066 ºF (1130 ºC), la red líquida se solidifica para formar el sólido eutética, ledeburita. Para esta y otras aleaciones similares, el sólido eutética se compone de núcleos de austenita rodeados por una matriz de cementita como se muestra en la figura #02 (b) y en el bosquejo de la figura # 03. Conforme avanza el enfriamiento, la austenita precipita a la cementita, tanto en la fase primaria, como en la eutética. Esto puede determinarse a partir del diagrama de hierro y carburo de hierro, que muestra que aunque la austenita puede disolver 2.0 por ciento de carbono a 2066 ºF (1130 ºC), solo se puede disolver 0.8 por ciento de carbono a 1333 ºF (724 ºC). A 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en perlita. Así pues, la estructura final se compone de grandes colonias de perlita (de cristales primarios de austenita) además de pequeñas colonias de perlita (de austenita eutética), en una matriz de cementita eutética. Las pequeñas colonias de perlita y la cementita que la rodea, producen la estructura eutética que se conoce como ledeburita. La aleación que acabamos de describir tiene una estructura típica del hierro colado blanco.

El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las obras de I. Kornilov. Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química. El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:  Fe-Fe3C (metaestable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito);

 Fe-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito). Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe-Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas (Fe-Fe3C y Fe-C). La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. En la figura # 01 muestra la porción de interés del sistema de aleación hierro - carbono. Esta la parte entre hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro, que contiene 6.67 % de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro - carburo de hierro. Este no es un verdadero diagrama de equilibrio, pues el equilibrio implica que no hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito). Las reacciones eutética y eutectoide difieren entre sí, en más de un aspecto importante. Las reacciones eutética implican el paso de una fase líquida a dos fases sólidas mientras que las reacciones eutectoide se efectúa totalmente dentro del estado sólido. La siguiente es una expresión general de la reacción eutectoide: En donde ð, ð y γ son fases sólidas y, a menudo, soluciones sólidas. La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutécticas y las eutectoide, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los metales. Como indica el nombre de este diagrama, se considera que los componentes son hierro y carburo de hierro, sin embargo es más conveniente representar la composición en relación con el porcentaje de carbono, más que por el carburo de hierro (Fe3C). Si el diagrama hierro carburo de hierro se divide en dos partes, una superior a 1700 ºF (927 ºC) y la otra inferior a esta misma temperatura, es evidente que la primera se relaciona con una reacción eutética, y la segunda, con una reacción eutectoide. Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la Figura #01. Las fases que pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las líquidas, hierro ð, hierro γ y cementita (otra fase, hierro δ, no se considera en el diagrama simplificado de la figura # 01). La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo, dentro de los límites de composición del diagrama. La cementita o carburo de hierro (Fe3C), es un compuesto químico de hierro y carbono que tiene 6.7 por ciento de este último elemento. Es uno de los componentes del sistema y, como tal, limita la cantidad de carbono que puede estar presente (100 por ciento de cementita equivale a 6.7 por ciento de carbono). La cementita es una fase extremadamente dura y frágil de una estructura cristalina compleja; no disuelve cualquier cantidad mensurable de carbono. El otro componente del diagrama, el hierro, existe e dos isótropos sólidos o formas definidas de cristal. El hierro alfa,

que es el isótropo a la temperatura ambiente, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, que se conoce también con el nombre de ferrita y constituye una fase suave y dúctil. El hierro gamma, o austenita tiene una estructura cúbica centrada en las caras y a veces se considera que es menos dúctil y ligeramente más dura que la ferrita, aunque, en realidad, no puede efectuarse una comparación verdadera. El hierro gama existe a temperaturas superiores a las que se encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de hierro disuelven al carbono y los símbolos ð y γ se usan para representar, tanto al hierro puro, como a las soluciones sólidas de carbono en el hierro. Es conveniente hacer notar que, aunque el hierro gamma contiene hasta 2.0 por ciento de carbono, el hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por ciento de carbono. Las fases mencionadas arriba son también constituyentes. Además de éstos, existen otros dos constituyentes, la ledeburita y la perlita. La primera es el nombre que se da a la composición eutética sólida; se presenta únicamente en el hierro colado y, después de la transformación que se lleva a cabo al enfriarse a la temperatura ambiente, adquiere el aspecto moteado que se ilustra en la figura # 02(b). La lebedurita transformada consiste en colonias de perlita en una red continua (llamada matriz) de cementita. La perlita es un constituyente muy importante que se encuentra tanto en el acero como en el hierro colado. En la figura # 02 (a) se muestra la estructura eutectoide, que se compone de capas alternas de ferrita y cementita. La perlita tiene valores de dureza y ductilidad intermedios a los de la ferrita y la cementita. Enfriamiento lento de las aleaciones de hierro y carbono. Estudie el siguiente enfriamiento lento de varias aleaciones distintas de hierro y carbono, en las que existe una correlación entre las propiedades y la microestructura. Cuando un acero contiene 0.3 por ciento de carbono, se enfría desde una temperatura superior a 2800 ºF (1540 ºC), la solidificación comienza a unos 2775 ºF (1524 ºC), con la formación de una solución sólida que contiene casi 0.10 por ciento de carbono. Al reducirse más todavía la temperatura, se forma una mayor cantidad de sólidos y va quedando menos líquido, hasta finalmente se solidifica del todo. La austenita sólida tiene la misma composición del líquido del que se formó, y contiene 0.3 por ciento de carbono. A 1550 ºF (843 ºC), se producen cristales homogeneos equiaxiales de austenita, 03 (b) (4). A unos 1500 ºF (816 ºC), una nueva fase, la ferrita, comienza a precipitarse de los granos de austenita. A formación de núcleos de la nueva fase aparece principalmente en los límites de los antiguis granos de austenita (Este es un modo común de comportamiento. Bajo condiciones de equilibrio, generalmente se forman nuevas fases en el límite de los granos de aquellas que están presentes. En este ejemplo a la nueva fase se le llama proeutectoide por que ésta sobre enfriamiento, a prior de la formación de la estructura eutectoide. En aceros hipoeutectoides, la ferrita es proeutectoide; en aceros hipereutectoides, la cementita es proeutctoide.) Conforme la temperatura se acera a 1333 ºF (724 ºC), aumenta la cantida de ferrita y su composiciónvaría hacia el 0.03 por ciento de carbono. Al mismo tiempo, la cantidad de austenita se reduce y su composcición se acerca al 0.8 por ciento de carbono. A 1400 ºf (760 ºC), la austenita tiene una composición de 0.6 por ciento de carbono y la ferrita 0.02 por ciento de carbono. De acuerdo con el principio de la palanca, el porcentaje de austenita es (0.28/0.58)*100=48% γ, y el porcentaje de ferrita es (0.30/0.58)*100=52% ð. A 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone del 36 por ciento de γ que contiene 0.8 por ciento de carbono y 64 por ciento de ð que, a su vez, contiene 0.03 por ciento de carbono. A 1333 ºF (724 ºC), la austenita restante experimenta una transformación en la estructura eutectoide conocida con el nombre de

perlita. La perlita se forma siempre a partir de la austenita a 1333 ºF (724 ºC) en condiciones de equilibrio. Puesto que a esta temperatura la austenita contiene invariablemente 0.8 por ciento de carbono, la perlita en la que se transforma contiene siempre 0.8 por ciento de carbono. La perlita se compone de 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita.

Diagrama de equilibrio de las aleaciones Fe-C Figura 23. Diagrama de fases de las aleaciones hierro-carbono Características físicas del acero Presenta dos equilibrios: • Estable: aleación que consta de hierro y carbono en forma de grafito. • Metaestable: aleación de hierro y cementita. Fundamentalmente, se habla de equilibrio estable en el caso de fundiciones, pues en ellas el contenido en carbono es muy elevado, por lo que se formará grafito más fácilmente; por su parte,

el equilibrio que rige a los aceros es el metaestable. Puntos y líneas a destacar en el diagrama de equilibrio Fe – C • Punto C (4,3% de C, 1130º C): punto eutéctico. Marca el límite entre la forma de líquido y la ledeburita: por encima de estas condiciones tendremos líquido. Si se deja que llegue al equilibrio a 1130º C, se obtendrá ledeburita. Reacción: L (4,3% de C) γ (1,76% de C) + Fe3C (6,67% de C), a t = 1130º C La ledeburita contiene el 48% en austenita más un 52% en cementita. • Punto S (0,89% de C, 723º C): punto eutectoide. En este caso, marca el equilibrio entre austenita y perlita (mezcla de un 13,5% de cementita y un 86,5% de ferrita). Reacción: γ (0,89% de C) Fe3C (6,67% de C) + α (0,025% de C) • Punto E: marca la máxima solubilidad del carbono en la austenita o hierro γ. • Punto J (0,18% de C, 1492º C): punto peritéctico, en el que la solidificación de la aleación tiene lugar a una temperatura intermedia entre los puntos de fusión de cada uno de los elementos que componen la aleación. La transformación entre líquido y hierro δ da lugar a hierro en fase γ. enfriamiento calentamiento enfriamiento calentamientoCaracterísticas físicas del acero Reacción: L (0,4% de C) + δ (0,08% de C) γ (0,18% de C), a t = 1492º C • Punto P: es la máxima solubilidad del carbono en hierro α. La proporción de carbono en la ferrita oscila entre 0,008 y 0,025%. • Línea GS: es la línea límite de mínima existencia de austenita pura. Por debajo de dicha línea existe una mezcla de austenita + ferrita. • El cambio magnético de la ferrita se produce a 768º C. Por debajo de esta temperatura, la ferrita es magnética, mientras que por encima pierde esas propiedades. • Línea SE: es la línea superior de existencia de cementita en los aceros. • Línea A0 (210º C): indica el cambio magnético de la cementita. Por debajo de 210ºC presenta propiedades magnéticas, mientras que por encima las pierde. • Punto D (6,67% de C, 1536º C): es el punto de fusión de la cementita pura • Punto N: punto de transformación alotrópica de hierro δ a hierro α. 3.1.5. Inclusiones Pueden encontrarse otros compuestos o elementos en las aleaciones Fe – C. Estos constituyentes se denominan inclusiones. Se trata de defectos del material a nivel microscópico. Pueden ser metálicas o no metálicas. - Metálicas: elementos de aleación de carácter metálico que se añaden. Por ejemplo cromo, níquel, molibdeno, manganeso, wolframio, vanadio, cobre, etc. enfriamiento calentamientoCaracterísticas físicas del acero Estos elementos dan lugar a los llamados aceros especiales. Algunos de los elementos se disuelven en hierro α, como es el caso del níquel, el cromo, el aluminio el manganeso o el cobre, mientras que otros forman carburos (es decir, se combinan con el carbono que forma parte del acero), cosa que provoca un incremento de la dureza de la fundición o el acero y su resistencia al desgaste. Dentro de este segundo tipo tenemos: - Carburos simples: unión de carbono + elemento - Carburos dobles: unión de hierro + elemento + carbono - Carburos mixtos: carburo simple + carburo doble A temperaturas altas los carburos se disuelven en el hierro, formando una solución sólida en la austenita. - Metálicas con no metálicos: al añadir silicio (silicatos o silicoaluminatos de hierro, manganeso o cromo), aluminio (óxido de aluminio o alúmina, Al2O3), titanio (óxidos, nitruros, cianonitruros), manganeso (silicatos y sulfatos). Los elementos metálicos también se pueden encontrar emulsionados o dispersos en la masa de acero. - No metálicas: compuestos extraños al metal que suelen provocar reducción de las propiedades mecánicas. Son perjudiciales, y

provienen de las reacciones de oxidación y desoxidación que tienen lugar durante los procesos de siderurgia y metalurgia. Ejemplo: sulfuros (especialmente de manganeso), óxidos (de aluminio, compuesto muy duro y frágil que se va desintegrando dando lugar a pequeños gránulos), silicatos (de aluminio, de manganeso, de hierro, de cromo, que son duros pero no tan frágiles). Añadiendo carbono a la matriz de hierro obtenemos un nuevo material, denominado acero. Una de sus principales diferencias es que el acero es más duro que el hierro. Por lo tanto, podríamos definir al acero como una aleación de hierro y carbono. La metalurgia es todo el conjunto de procesos físico – químicos que van orientados a separar el hierro de las impurezas que puede contener (de silicio, fósforo, azufre, y carbono principalmente). Consistiría, por tanto, en la separación, respecto del mineral bruto de partida, entre mena (elemento de nuestro interés) y ganga (el conjunto de Características físicas del acero impurezas o elementos indeseables que es preciso eliminar para aumentar el valor de la mena y permitir o facilitar su procesado posterior). El hierro hasta con un contenido del 0,0208% de C se considera puro. 3.1.6. Efecto de las impurezas en las aleaciones Fe – C Es muy difícil eliminar al 100% las impurezas. Siempre se encontrarán determinadas cantidades de silicio, manganeso, azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. Veamos los efectos de cada elemento sobre la aleación: • Silicio y manganeso Durante el proceso de obtención de una aleación Fe – C, se debe realizar una desoxidación: eliminar los óxidos de la masa aleada, presentes en forma de inclusiones, como por ejemplo el óxido férrico, Fe2O3. El silicio y el manganeso evitan la existencia de dichos óxidos. El silicio, por su parte, debe estar presente entre el 0,35 y el 0,40%. Con su presencia se incrementa el límite de fluencia, pero disminuye la capacidad de deformación del material en frío, lo cual implica una fragilización del material. El manganeso, por otro lado, debe estar presente en proporciones comprendidas entre el 0,5 y el 0,8%. Su presencia incrementa la resistencia a altas temperaturas del acero o fundición en el que se encuentra, además de su dureza y templabilidad (capacidad del acero de profundizar en su espesor el efecto del temple (aumento de la dureza). • Azufre Su presencia da lugar a la formación de sulfuros, especialmente de sulfuro de hierro, FeS. No es soluble en la red cristalina, y forma inclusiones. El FeS, a 988º C forma una mezcla eutéctica: se coloca en los límites de grano y se reblandece posteriormente, haciendo que el acero pierda sus propiedades mecánicas. Es la llamada fragilidad al rojo. Para evitar este efecto, se debe adicionar manganeso, de forma que se impedirá la formación de FeS por la formación de MnS. Pero es conveniente regular la cantidad de Mn adicionada, pues si se genera demasiado MnS puede dar lugar a los mismos efectos negativos del sulfuro de hierro. Características físicas del acero • Fósforo Se disuelve en el hierro α y en el hierro γ, pero si se encuentra en grandes cantidades, puede formarse fosfuro de hierro (Fe3P), compuesto que puede provocar una deformación en la red cristalina, incrementando el límite de tracción y de fluencia, pero reduciendo a su vez la plasticidad y la viscosidad del acero. En general, se recomienda que el contenido de fósforo en el acero sea de entre 0,025 y 0,25%. • Hidrógeno, oxígeno y nitrógeno Facilitan la formación de Fe2O3, Fe3N2, Al2O3 y SiO3. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero 4. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS DEL ACERO Estos tratamientos se emplean fundamentalmente para

incrementar superficialmente la dureza del acero y su tenacidad o resistencia al choque, pero al mismo tiempo, mantener su capacidad de deformación a nivel interno. 4.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Consisten en calentar el acero a elevadas temperaturas (por encima de la temperatura eutectoide, 723º C) para conseguir la formación de austenita y después mantener esa temperatura durante tiempo suficiente para que la transformación sea completa. Después, se enfría a temperaturas diferentes para que la austenita no se transforme en perlita, sino en otro constituyente con unas propiedades de dureza mejores. Estos tratamientos modifican la constitución (forma alotrópica del hierro y el estado del carbono), pero no la composición. También modifican la estructura, tanto el tamaño de grano como el repartimiento de los constituyentes que se obtienen en la masa). 4.1.1. Introducción Para conocer cuál es el tratamiento más indicado a aplicar, debe conocerse el diagrama de las “transformaciones isotérmicas de la austenita” (diagrama TTT: temperatura, tiempo y transformación, o diagrama de la S). Estas curvas son diferentes para cada tipo de acero. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero Figura 24. Diagrama TTT (temperatura-tiempo-transformación) En el diagrama, Ms indica la temperatura inicial de la transformación de la austenita. Se verá modificada según cuál sea el % en carbono. Mf acostumbra a ser una temperatura 250º C inferior a la de Ms, e indica la temperatura final de la transformación de la antenita. La presencia de níquel, manganeso y cobalto acostumbra a rebajar la temperatura crítica (723º C). Factores que influyen en el gráfico: a. Concentración de carbono en el acero b. Tamaño de grano: cuanto más grande, menor será la velocidad necesaria para conseguir el temple (o velocidad crítica de temple). La curva TTT, en este caso, se desplazará hacia la derecha. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero 4.1.2. Temple 4.1.2.1. Tipos de temple 4.1.2.1.1. Temple estructural Incrementa las propiedades mecánicas. Se suele aplicar sobre piezas con una forma ya determinada. El procedimiento es como sigue: primero debe calentarse la pieza hasta una temperatura por encima de la crítica. Llegado el momento, cuando toda la masa de acero se haya transformado en austenita, debe enfriarse rápidamente. De esta manera, se impide que el carbono difunda fuera de la red austenítica, formándose martensita (e forma tetragonal). Este fenómeno produce tensiones en la zona del material donde ha tenido lugar el enfriamiento, las cuales contribuyen a aumentar la dureza del material y su resistencia a la tracción. Si se somete a temple toda la pieza, aumentará la dureza, pero se reduce su tenacidad y su deformabilidad, con lo que se incrementa su fragilidad. Para evitar este efecto, sólo debe templarse la parte superficial de la pieza, a fin de endurecerla, manteniendo así el núcleo en las condiciones iniciales de tenacidad. 4.1.2.1.2. Temple de precipitación Se usa sobre cobre, manganeso, aluminio… Su finalidad es la misma que en casos anteriores: endurecer el material. En ocasiones, es posible que no interese que toda la austenita se transforme en martensita. Cuanto más grande sea el nivel de calentamiento, mayor será el tamaño de grano. Etapa de enfriamiento: la velocidad de enfriamiento o velocidad crítica de temple es la velocidad mínima de enfriamiento necesaria para obtener martensita. En el acero puede ser de 600º C/min o de 150º C/min. Si la velocidad aplicada es superior a la crítica de temple, garantizaremos que toda la masa de austenita pasa a martensita. La velocidad crítica de temple se determina mediante el

diagrama TTT: es la tangente a la nariz en el momento en que empieza la transformación. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero Ante diferentes narices, cogeremos la tangente de mayor pendiente. 4.1.2.1.3. Temples normales Se procede de forma similar a los casos anteriores. Con un buen enfriamiento, se consigue martensita. 4.1.2.1.4. Temples interrumpidos El calentamiento tiene lugar de la misma manera, pero el enfriamiento es el que sufre la variación. Éste consiste en que, primeramente, empieza en un medio enérgico, y a mitad del proceso, se cambia a otro medio más suave. Por ejemplo, agua-aceite, agua-aire, aceite-aire son los medios más utilizados, y su uso dependerá del tipo de acero. 4.1.2.1.5. Temples isotérmicos Para llegar a la austenización debe mantenerse la temperatura constante en algún punto del proceso, que será durante el enfriamiento. En este caso, se usa el baño de sales fundidas. Dos variantes: Austempering, por el cual se obtiene bainita - Martempering, obteniéndose martensita 4.1.2.1.6. Temples superficiales Debe calentarse un cierto espesor de la superficie de la pieza, y posteriormente el enfriamiento se lleva a cabo de la misma forma, con lo cual conseguimos afectar sólo a la superficie. El calentamiento puede desarrollarse mediante soplete (temple oxeacetilénico) o por inducción (mediante campos eléctricos y magnéticos). Factores que influyen en el temple a. Composición: según cuál sea, variará la forma del diagrama TTT, y por tanto, la velocidad. Cuanto mayor sea el % en carbono, menor será la velocidad de Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero temple necesaria. La presencia de elementos de aleación también contribuyen a reducir la velocidad crítica de temple. b. Tamaño de grano: si es grueso, la velocidad crítica de temple será menor que si el grano es fino. c. Tamaño de las piezas: si la pieza es pequeña en cuanto a espesor, la variación de temperatura entre la superficie y el centro de la pieza será menor, por lo que la velocidad crítica de temple no será tan elevada como si el espesor fuera mayor. d. Medio de enfriamiento: cuando se enfría el material, se forma una capa de vapor alrededor de la pieza. Este vapor evacua el calor de forma peor que el agua en estado líquido. Pasado un cierto tiempo, una cierta porción de líquido en contacto con la pieza empieza a hervir. En ese momento, el intercambio de calor está muy favorecido debido a la formación de corrientes de convección. Una vez que el metal está más frío y el agua más caliente (debido al intercambio de calor por convección), las temperaturas empiezan a aproximarse mutuamente, hasta alcanzar el equilibrio térmico. En este estado, el intercambio de calor es nulo, y a medida que nos aproximamos a él va reduciéndose. Medios de enfriamiento - Agua: es el fluido que mayor entalpía de transformación de fase tiene, y que mayor cantidad de calor es capaz de disipar. - Aceites minerales: deben ser de baja viscosidad, no volátiles y resistentes a la oxidación a altas temperaturas. Presentan una capacidad de evacuación del calor inferior a la del agua, motivo por el cual se usa en piezas con un pequeño espesor, así como para aceros de alta aleación. - Plomo fundido: con un punto de fusión de aproximadamente 300º C. Posee una buena conductividad térmica y eléctrica. Evacua rápidamente el calor. - Mercurio: se usa en casos muy específicos, controlando mucho su temperatura, pues puede vaporizar, pudiendo producir problemas de seguridad. - Sales fundidas Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero 4.1.2.3. Templabilidad Es la capacidad o facilidad que muestra una pieza a ser penetrada por el

temple. Depende de la composición del acero de partida. A mayor espesor, mejor templabilidad. Depende de estos factores: - Medio de enfriamiento, que provocará un cambio en la velocidad crítica de temple - Propiedades del acero tratado (composición, tamaño de grano, estructura, estado superficial) - Elementos de aleación 4.1.2.2.1. Valoración de la templabilidad La templabilidad se valora mediante el “ensayo de las fracturas”, método cuantitativo, simple y fácil de llevar a cabo, empleado sobre aceros de baja aleación. El método es como sigue: Se toman probetas cilíndricas del acero a ensayar. Se sometan a temple y se enfrían posteriormente en agua. Una vez enfriadas, se someten a un impacto que provoca su rotura. Observando microscópicamente la fractura puede apreciarse la zona que ha sufrido temple (reconocible por la presencia de granos finos) y la que no (grano grueso). Así, puede apreciarse la profundidad del temple. Podemos encontrarnos con tres casos: - Templabilidad baja: mayor proporción de grano grueso que de grano fino - Templabilidad moderada: igual o semejante proporción de grano fino y grueso - Templabilidad alta: mayor proporción de grano fino que de grano grueso Existen muchos otros métodos, de entre los cuales destacan los siguientes: • Método de las curvas en U Se fabrican piezas cilíndricas de diversos diámetros, se someten a temple, se rompen posteriormente, y sobre la sección de rotura se llevan a cabo ensayos de dureza, siempre siguiendo una línea radial o un diámetro de la pieza. Los Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero resultados se grafican, dando lugar a un diagrama en forma de U, donde se representan las durezas en ordenadas frente a la distancia respecto al centro de la pieza a la que se realiza ese ensayo en concreto. Cuanto más plana sea la curva en U, mayor será la templabilidad, pues representa que el acero ensayado presenta una dureza muy similar en todos los puntos de su interior, tanto a nivel superficial como a nivel interno. • Otro método cuantitativo utilizado para valorar la templabilidad de un acero es el que consiste en determinar el contenido en martensita, mediante diversos procedimientos: • Por metalografía: debe observarse la zona que ha sufrido el temple por microscopía electrónica (mediante la comparación entre grano fino y grueso). Para permitir la observación debe hacerse un ataque químico previo. • Por determinación de la dureza de la sección transversal • Buscando los puntos de inflexión de las curvas en U, pues la separación entre ellas indica directamente la zona del 50% de martensita. Es aconsejable que el contenido de martensita esté comprendido entre el 50 y el 90%. • Método del diámetro crítico de Grossman Este diámetro es el máximo que puede tener una barra cilíndrica de acero en cuyo centro se consigue un 50% de martensita tras un temple cuyo enfriamiento se realice en un medio teórico o ideal con una capacidad de absorción del calor infinita. Es independiente del medio de enfriamiento considerado, así como de las condiciones generales del ensayo, pero depende de la composición del acero y del tamaño de grano. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero Se determina a partir de diversos parámetros, entre los cuales el más importante es la severidad de temple (H, tabla 3). También es importante el diámetro crítico práctico, que es la distancia entre los puntos de inflexión de las curvas en U (es el valor colocado en la ordenada del gráfico). • Ensayo de Jominy Debe conocerse para ello la forma de la probeta (cilíndrica pero con un cabezal en uno de sus extremos). El ensayo tiene lugar en un depósito especial, el cual permitirá

valorar cómo varía la dureza de la pieza a medida que nos alejamos del extremo sometido a temple. Este temple se lleva a cabo con el procedimiento habitual: calentar hasta una temperatura de 50 o 60º C por encima de la crítica (723º C). Figura 25. Instalación de la probeta (izquierda) y montaje realizado para realizar el ensayo Jominy (derecha) Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero Para evitar que se oxide la probeta, pues a altas temperaturas la oxidación es mucho más probable que a temperatura ambiente, se acostumbra a cubrir con virutas de acero o grafito. Una vez enfriada la pieza, se realizan ensayos de dureza del tipo Rockwell a lo largo de dos generatrices. Los datos los representamos en un gráfico bidimensional (curva de Jominy). Cuanto más planas sean las curvas, mayor será la templabilidad del acero ensayado. Figura 26. Curva de Jominy: distancia al extremo templado vs. dureza Rockwell C La templabilidad depende del contenido en carbono (cuanto más grande sea, mayor templabilidad), así como de las pequeñas cantidades de elementos de aleación que contenga el acero. En general, la templabilidad aumenta en mayor medida se añaden pequeñas cantidades de elementos variados que si añadimos un mayor porcentaje de un único elemento. Es posible transformar los datos del ensayo Grossman a datos del ensayo Jominy mediante un gráfico de conversión. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero 4.1.3. Revenido Debido a que las variaciones de temperatura suelen ser muy grandes, se producen tensiones o alteraciones en los procesos de dilatación y contracción, con lo que puede darse la aparición de grietas. Para evitarlo, suele aplicarse otro tratamiento térmico complementario: el revenido. Este tratamiento consiste en calentar la pieza hasta una temperatura inferior a la crítica, y posteriormente enfriar en aceite, aire o agua. La martensita resultante del temple es muy dura y frágil, por lo tanto, es inservible para la mayoría de aplicaciones, además del efecto fragilizante que provocan las tensiones internas. En estas transformaciones, la martensita pierde carbono, lo cual provoca una reducción de la dureza. Además de eliminar las tensiones internas que produce el temple, se produce una disminución del límite elástico y de la resistencia máxima a la tracción. Pero aumenta la tenacidad y deformabilidad. En función de la temperatura a la que se lleve a cabo en revenido, y según el tipo de acero, se produce un incremento de la fragilidad. Para contrarrestar el efecto, debemos aumentar el contenido en silicio. Factores que influyen en el revenido a. Estado inicial de la pieza, es decir, su estado después de realizado el temple. b. La temperatura a la que se lleva a cabo el proceso. c. Duración del calentamiento: debe combinarse la temperatura máxima aplicada con el tiempo (entre 400-650º C durante 30 minutos-3 horas) d. Tamaño de la pieza: cuanto mayor sea la pieza, más tensiones se producen en el interior. . Normalizado Para llevarlo a cabo, debemos calentar a entre 40 y 50º C por encima de la temperatura de la línea SG. El enfriamiento posterior se realiza en aire sin corriente. Por lo tanto, se trata de un enfriamiento de no equilibrio, pero tampoco permite obtener martensita. Lo Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero que verdaderamente se obtiene es perlita y cementita proeutectoide (en el caso de aceros hipereutectoides) o bien perlita y ferrita proeutectoide (para aceros hipoeutectoides). Puede refinarse la estructura granular en aceros defectuosos, aumentar la resistencia y la dureza respecto a un acero que haya sufrido recocido,

pretende mantener la uniformidad estructural eliminando la agregación, reduce los efectos de los tratamientos defectuosos aplicados y elimina las tensiones internas. Para que sus efectos sean más importantes, se acostumbra a aplicar sobre aceros hipoeutectoides con un contenido en carbono del 0,15%, y en los aceros hipereutectoides se aplica después del recocido. Para aceros aleados se aplica tras el revenido. Recocido Pretende ablandar el acero, facilitar su mecanizado, regenerar el estado cristalino (modificar la forma de los granos), estabilizar las tensiones internas, aumentar la ductilidad y homogeneizar la estructura. Etapas: 1. Calentamiento: por encima o por debajo de la temperatura crítica, pudiendo oscilar alrededor suyo en el tiempo o mantenerse constante. 2. Enfriamiento lento. Tipos de recocido a) Recocido supercrítico: la temperatura de calentamiento está por encima de la crítica b) Recocido subcrítico: la temperatura de calentamiento está por debajo de la crítica c) Recocido isotérmico: se mantiene la temperatura constante Recocido supercrítico posee estas etapas: Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero - Recocido supercrítico de austenización completa: se usa sobre aceros hipoeutectoides. Se calienta a 50º C por encima de la temperatura crítica, se enfría hasta 500º C y posteriormente se acaba de enfriar al aire. Recocido supercrítico de austenización incompleta: calentar a una temperatura entre 723º C y la de la línea SE. Después, se enfría hasta 500º C dentro del mismo horno y finalmente al aire hasta temperatura ambiente. Tipos de recocido subcrítico: - Globular subcrítico: se aplica sobre aceros de baja cantidad de carbono. - Ablandamiento: se emplea sobre aceros aleados de gran resistencia - Acritud: supone una reducción de la plasticidad y la tenacidad, pero se incrementa la dureza y la resistencia a la tracción Se lleva a cabo cuando se ha deformado el material repetidamente en frío. Debe calentarse la pieza a entre 550-700º C, y posteriormente se enfría en el propio horno. Se aplica en aceros hipoeutectoides. - Recocido de estabilización: permite estabilizar las tensiones internas mediante un calentamiento a entre 100-200º C. Recocidos isotérmicos: - Austenización completa: debe subirse la temperatura por encima de la crítica. Posteriormente se enfría hasta los 600-700º C, manteniéndose esta temperatura durante un cierto tiempo. Finalmente, se acaba de enfriar al aire. Se aplica en aceros hipoeutectoides. 4.2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Son todos aquéllos que modifican la composición química de la superficie de las piezas. Esto se consigue saturando superficialmente el acero con átomos de diversos elementos, tanto metálicos como no metálicos. Dicha saturación se consigue por difusión; para difundir un átomo en una red deben aplicarse elevadas temperaturas. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero Estos métodos permiten incrementar la dureza superficial sin alterar la ductilidad y la resistencia al choque del núcleo de la pieza, a la vez que se reduce la fricción en el rozamiento de las piezas y se incrementa la resistencia al desgaste, la resistencia a la fatiga (debido a las tensiones residuales generadas por la adición de átomos extraños) y la resistencia a la corrosión. Etapas: a. Separación del medio que rodea a la pieza del elemento químico que se difundirá b. Contacto entre los átomos del elemento y los del acero mediante enlaces de absorción c. Difusión propiamente dicha de los átomos hacia el interior del acero La velocidad del proceso depende del tipo de solución sólida que se forme. Si se forma una solución

sólida intersticial, el procedimiento es más rápido que si se tratara de soluciones sustitucionales. La concentración del elemento difundido en la matriz del acero depende de la velocidad de difusión y de lo activo que sea el medio que rodea la pieza. La profundidad de penetración depende de la temperatura, del tiempo y de la concentración del elemento a difundir en el medio que rodea a la pieza. Tipos de tratamientos termoquímicos: cementación, nitruración, cianuración, sulfinuzación, carbonización. - Cementación: consiste en saturar el medio que rodea la pieza con un compuesto que cederá átomos de carbono. Todo el conjunto debe mantener una temperatura elevada durante un cierto tiempo. Posteriormente, debe completarse el proceso con un temple y un revenido. Permite aumentar la dureza y la resistencia al desgaste, al mismo tiempo que incrementa la resiliencia, la ductilidad y la alta tenacidad en el núcleo de la pieza. Etapas que tiene lugar simultáneamente en el proceso: Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero a. Reacción química del compuesto cementante que da lugar al carbono necesario para que tenga lugar el proceso. b. Difusión del carbono formado en la anterior etapa hacia la red del acero, que normalmente está en forma de austenita (pues es la solución que más carbono permite en solución en su interior), formándose una solución sólida intersticial. La cantidad de carbono que penetra y el espesor de la capa cementada dependen de factores como la composición del acero de partida, la naturaleza del componente cementante (determinará su actividad), el tiempo y la temperatura del proceso. La proporción de carbono con la que se obtiene mejores resultados de dureza está entre el 0,5 y el 0,9%. Los espesores obtenidos acostumbran a ser de entre 0,5 y 1,5 mm., pudiéndose incluso llegar a los 3 o 4 mm. La temperatura necesaria es de 850-900º C. La cementación puede realizarse de diversas maneras: o Cementación con agente cementante sólido: deben mezclarse carbón vegetal o semicok (obtenido por la media pirólisis del carbono) con compuestos activadores (generalmente carbonatos alcalinos o alcalinotérreos). La mezcla más clásica es la mezcla de Caron (60% de carbón vegetal y 40% de carbonato de bario, BaCO3). Toda la mezcla se lleva a alta temperatura (900-1000º C) en un horno. Reacciones: BaCO3 ↔ CO2 + BaO CO2 + C ↔ 2CO CO ↔ C* + CO2 A medida que el carbono naciente C* se va agotando, se va modificando la mezcla cementante. De ahí que sea necesario renovarla constantemente. Posteriormente se enfría hasta los 400º C y se sacan las piezas del horno. o Cementación por agentes cementantes líquidos: consisten en baños de sales fundidas que contienen cianuro sódico (NaCN), cloruro sódico Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero (NaCl), carbonato sódico (Na2CO3) y sales catalizadoras (cloruro de bario, calcio y estroncio, BaCl2, CaCl2, SrCl2). Durante el proceso, los cianuros se oxidan a cianatos. El efecto puede anularse recubriendo la pieza con escamas de grafito. Reacciones: 2NaCN + BaCl2 ↔ Ba(CN)2 + 2NaCl Ba(CN)2 + Fe γ ↔ BaCN2 + Fe γ (C) El espesor de la capa cementante depende de la temperatura, lka composición del baño y la duración del tratamiento. Tras obtener la capa, se realiza un temple en agua o aceite. Las sales van cambiando su composición a lo largo de toso el proceso, por lo que es necesario añadir sales frescas a medida que avanza. o Cementación por agentes cementantes gaseosos: debe introducirse la pieza en un horno cerrado herméticamente para evitar la fuga de la mezcla gaseosa que se dosificará a continuación en su interior: metano

(CH4), propano (CH3CH3), butano (CH3CH2CH3) y un gas portador (gas natural o gas de gasógeno, los cuales contiene CO, H2, N2, vapor de agua, pequeñas cantidades de CH4 y CO2), el cual se quema y proporciona el calor y la temperatura necesaria. Reacciones: CH4 + Fe γ ↔ Fe γ (C) + 2H2 2CO + Fe γ ↔ Fe γ (C) + CO2 CO + H2 + Fe γ ↔ Fe γ (C) + H2O CO2 + H2 ↔ CO + H2O CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 El gas portador se introduce para reducir la tendencia a la formación de hollín (que se deposita sobre la superficie del metal), para reducir el coste (son gases combustibles) y para asegurar que dentro del horno se establece la composición adecuada y la presión necesaria para favorecer las reacciones de equilibrio. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero COMPARACIONES: los cementantes gaseosos son más limpios que los líquidos y los sólidos, pues no dejan residuos. También son más económicos para grandes producciones, pero para pequeñas producciones no resultan rentables. Además, puede utilizarse el mismo horno para realizar un recocido o un revenido posterior. Los cementantes sólidos requieren temperaturas muy elevadas, es decir, gran cantidad de energía , y por tanto, aumenta el coste. La mano de obra para cargar y retirar las piezas del horno también implica costes. El proceso es mucho más largo, y los tratamiento posteriores deben realizarse en otras instalaciones. Con cementantes líquidos debe destacarse la elevada toxicidad de las sustancias utilizadas, por lo que se requiere una buena ventilación de la zona y una correcta protección de los obreros. Los tratamientos posteriores se realizan a fin de corregir la estructura que se origina tras la cementación y para afinar los granos e incrementar la dureza. - Nitruración: consiste en la difusión de átomos de nitrógeno en la red del acero. Con ello, conseguimos su endurecimiento, la mejora de la resistencia a la corrosión y el incremento de la resistencia al desgaste y el límite de fatiga. Con este proceso, el incremento de la dureza es mayor que el conseguido con la cementación. Para ello, deben introducirse las piezas en un horno que contenga una atmósfera de amoníaco (NH3) a 500º C durante 20-80 horas, con lo que se obtienen espesores de entre 0,2-0,7 mm., menores que los conseguidos por cementación. Reacciones: 2NH3 ↔ 2N* + 3H2 El nitrógeno tiene un tamaño atómico inferior al del carbono, lo cual implica una mayor facilidad de penetración en la red. Acostumbra a formar soluciones intersticiales. Con un contenido del 0,6% de nitrógeno, la dureza alcanzada puede ser de aproximadamente 1000 HV (equivalente a 78 HR C); además, da lugar a un elevado grado de pulido en la superficie, por lo que facilita la reducción del coeficiente de fricción, y por tanto, un aumento de la resistencia al desgaste. Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero Produce poca dilatación en la pieza final (es decir, no distorsiona la red) debido a su tamaño y buena resistencia a la corrosión en agua dulce, salada y vapor de agua. El proceso no tiene buenos efectos sobre cualquier acero. Sólo se aplica sobre aceros aleados, pues el origen del endurecimiento es debido a la formación de nitruros con los elementos de aleación, los cuales precipitan fuera y dan lugar a tensiones de compresión. Estos compuestos se caracterizan por su elevada dureza y por ser insolubles en la red de hierro. No deben superarse los 500º C, pues por encima de esta temperatura los nitruros se descomponen. También debe procurarse que el tiempo de aplicación sea el más largo posible, pues mayores serán los espesores obtenidos. Es un

método caro. - Cianuración y carbonitruración: consiste en saturar la capa superficial con nitrógeno y carbono para conseguir el endurecimiento. La cianuración se realiza mediante un baño de sales fundidas (conteniendo cianuros, carbonatos, y cloruros). La temperatura que debe alcanzarse es de entre 750 y 950º C, y los tiempos de aplicación de entre 15 y 60 minutos. Reacciones: 2NaCN + O2 ↔ 2NaOCN 2NaOCN ↔ Na2CO3 + 2NaCN + CO + 2N* 4Fe + N* ↔ Fe4N 2CO ↔ C* + CO2 La cantidad de cianato debe controlarse, pues establece una competencia con el cianuro. De la temperatura y el tiempo dependerá el % de carbono y de nitrógeno que difundirá. - Nitrocementación: se realiza en una atmósfera que lleva amoníaco o trietanolamina y un gas carburante o portador (se obtiene con la quema de gas natural o gasógeno). Con estos dos gases, aplicando temperaturas de entre 650 y 900º C y durante 4-5 horas, se consiguen espesores de 0,8 mm. La dureza conseguida es semejante a la alcanzada por cementación (del orden de 65 HR C). Tratamientos térmicos y termoquímicos del acero Sulfinuzación: proceso que consiste en introducir átomos de azufre en la red. Ocasiona un incremento de la resistencia al desgaste. Se lleva a cabo en un baño de sales fundidas (mezcla de sales portadoras de azufre, sulfito sódico, sales protectoras (NaCN) que evitan la oxidación de sulfito a sulfato, y sales de soporte que bajan el punto de fusión de la mezcla). El espesor máximo obtenido es de 0,3 mm. Aplicando el proceso durante 3 horas a 565º C. La superficie del acero es como una piel de gallina. De ese modo, cuando se somete a fricción, esa rugosidad desaparece, obteniéndose un pulido por el desgaste de los picos y porque los valles van rellenándose con los depósitos procedentes del desgaste de los picos. La resistencia al desgaste viene dada por el espesor de la capa sulfinuzada siempre se mantiene constante. Si la pieza trabaja a temperaturas del orden de los 1000º C, se mantiene la resistencia a la fricción, pudiéndose producir gripado (unión de las piezas por las altas temperaturas alcanzadas). Pueden también introducirse átomos de elementos metálicos y no metálicos en la superficie del acero. Dos métodos: - Metalización por difusión: introducimos hasta saturación otros elementos metálicos: aluminio (calorización), cromo (cromización) y zinc (sherardización). - Difusión de elementos no metálicos minoritarios: boro (boración), silicio (siliciuración).

Diagrama de equilibrio Fe-C

El diagrama de equilibrio Fe-C es una gráfica que representa las fases y estados en las que se encuentran las aleaciones de Hierro-Carbono para una temperatura y composición dadas. En este diagrama, las proporciones de Carbono y de Carburo de Hierro (CFe 3) se representan en el eje de abscisas, en un rango porcentual que va del 0% al 6,67% de Carbono, limite de solubilidad de éste en la cementita. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro. El carburo de hierro se descompone de una manera muy lenta en hierro y carbono (grafito), lo cual requiere un periodo de tiempo muy largo a temperatura ambiente. El carburo de hierro se considerará entonces metaestable, por tanto, el diagrama hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente representa condiciones metaestables, puede considerarse como representante de cambios en equilibrio, bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas.

Las fases en las que se puede encontrar la aleación Hierro-Carbono dentro del diagrama de equilibrio son:  Ferrita, solución sólida de Fe-α, con composición máxima del 0,025% de C a 723º C y de 0,008% a temperatura ambiente.  Austenita, solución sólida de Fe-γ, con composición máxima del 2% de C, a 1130ºC

 Cementita, compuesto definido con formula CFe 3 de estructura ortorrómbica, compuesto por 6,67% de C y 93'33% de Fe. Es magnética hasta los 210º C.  Perlita, constituyente compuesto por un 86,5% de Ferrita y 13,5% de Cementita, de estructura laminar.  Ledeburita, constituyente eutéctico con composición 4,3% de Carbono y 95,7% de Hierro. El diagrama se estructura en dos partes principales, dependiendo de su contenido en Carbono. Las aleaciones con porcentaje de carbono inferior al 2,0% se denominan aceros, y los de mayor porcentaje se denominan fundiciones.

Dentro de la zona de los aceros, se distingue un punto en especial. Para 0,80% de Carbono y 723ºC, se tiene un punto eutectoide. Los aceros con valores de carbono mayores que el eutectoide, se denominan aceros hipereutectoides, y están compuestos de perlita y cementita. Los aceros para valores de carbono entre 0,03% y 0,80% se denominan aceros hipoeutectoides, compuestos de perlita y ferrita. Para valores iguales al punto eutectoide, la composición del acero es perlita pura. Por debajo de los 0,03% de Carbono no se les considera acero. Por encima de los 723ºC, los aceros sufren una transformación. La perlita se transforma en austenita, dando lugar a una composición de ferrita y austenita para los aceros hipoeutectoides y de cementita y austenita para los hipereutectoides. Según aumenta la temperatura, el porcentaje de austenita en el acero aumenta, hasta llegar a una composición del 100% de Austenita para valores que van desde 723ºC para el punto eutectoide, a 910ºC para 0,03% de Carbono, y a 1130ºC para 1,76%. Los aceros hipoeutectoides también sufren otra transformación, perdiendo su magnetismo. Para valores de carbono de 0,18% y temperatura de 1492º C se encuentra un punto peritéctico, que es el punto de mayor temperatura donde se puede encontrar fase austenítica pura. A temperaturas mayores, las fases del acero pasan a ser una mezcla de fase liquida y fase Fedelta, otra forma alotrópica del hierro. Esta forma alotrópica se presenta para el hierro puro desde 1400º C hasta la temperatura de fusión. La máxima solubilidad del hierro delta es para 0,08% de Carbono y 1492º C.

En la zona de las fundiciones, también se distingue un punto en especial. Para 4,3% de Carbono y para 1130º C encontramos el punto con menor temperatura de fusión del diagrama, denominado punto eutéctico. Para contenidos inferiores de carbono entre el principio y el fin de la solidificación se va precipitando austenita, y para aleaciones de contenidos de carbono superior al 4,3% entre el principio y el fin de la solidificación se precipitan cristales de cementita. Las aleaciones de 4,3%

se solidifican formando un único constituyente, que también se considera eutéctico y es la Ledeburita formado por un 52% de cementita y un 48% de Austenita de 2’0% de Carbono a 1130º C. La Ledeburita se transforma por debajo de los 723º C en cementita y perlita, las cuales conservan un aspecto eutéctico.

DIAGRAMA HIERRO CARBONO

El estado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1968 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este diagrama. N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una gran aportación al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las obras de I. Kornilov. Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química. El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

1. Fe-Fe3C (metalestable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito); 2. Fe-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito). Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe-Fe3C, y para estudiar fundiciones grises, ambos diagramas (Fe-Fe 3C y FeC).

La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida por elementos de aleación, de los cuales el más importante es el carbono. En la figura # 01 muestra

la porción de interés del sistema de aleación hierro – carbono. Esta la parte entre hierro puro y un

Fe3C compuesto intersticial, carburo de hierro, , que contiene 6.67 % de carbono por peso; por tanto, esta porción se llamará diagrama de equilibrio hierro – carburo de hierro. Este no es un verdadero diagrama de equilibrio, pues el equilibrio implica que no hay cambio de fase con el tiempo; sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro y carbono (grafito).

Las reacciones eutéticas y eutectoides difieren entre sí, en más de un aspecto importante. Las reacciones eutéticas implican el paso de una fase líquida a dos fases sólidas mientras que las reacciones eutectoides se efectúa totalmente dentro del estado sólido. La siguiente es una expresión general de la reacción eutectoide:

  calor

en donde   yson fases sólidas y, a menudo, soluciones sólidas.

La reacción eutectoide más importante es la que se produce en los aceros. Es necesario contar con la comprensión definida de las reacciones eutéticas y las eutectoides, para poder entender lo referente a los aceros al carbono y para estar capacitados para interpretar debidamente el diagrama del hierro carburo de hierro que es, probablemente, el más importante de todos los diagramas de equilibrio de los metales.

Figura # 01

La figura # 01 se ilustra con un diagrama simplificado del hierro carburo de hierro. Como indica el nombre de este diagrama, se considera que los componentes son hierro y carburo de hierro, sin embargo es más conveniente representar la composición en relación con el porcentaje de carbono, más que por el carburo de hierro (Fe 3C). Si el diagrama hierro carburo de hierro se divide en dos partes, una superior a 1700 ºF (927 ºC) y la otra inferior a esta misma temperatura, es evidente que la primera se relaciona con una reacción eutética, y la segunda, con una reacción eutectoide.

Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo de hierro, se indican en las áreas correspondientes de la Figura #01. Las fases que pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las líquidas, hierro , hierro  y cementita (otra fase, hierro , no se considera en el diagrama simplificado de la figura # 01). La fase líquida puede consistir en cualquier combinación de hierro y carburo, dentro de los límites de composición del diagrama. La cementita o carburo de hierro (Fe 3C), es un compuesto químico de hierro y carbono que tiene 6.7 por ciento de este último elemento. Es uno de los componentes del sistema y, como tal, limita la cantidad de carbono que puede estar presente (100 por ciento de cementita equivale a 6.7 por ciento de carbono). La cementita es una fase extremadamente dura y frágil de una estructura cristalina compleja; no disuelve cualquier cantidad mensurable de carbono. El otro componente del diagrama, el hiero, existe e dos alótropos sólidos o formas definidas de cristal. El hierro alfa, que es el alótropo a la temperatura ambiente, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, que se conoce también con el nombre de ferrita y constituye una fase suave y dúctil. El hierro gamma, o austenita tiene una estructura cúbica centrada en las caras y a veces se considera que es menos dúctil y ligeramente más dura que la ferrita, aunque, en realidad, no puede efectuarse una comparación verdadera. El hierro gama existe a temperaturas superiores a las que se encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de hierro disuelven al carbono y los símbolos  y  se usan para representar, tanto al hierro puro, como a las soluciones sólidas de carbono en el hierro. Es conveniente hacer notar que, aunque el hierro gamma contiene hasta 2.0 por ciento de carbono, el hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por ciento de carbono.

Las fases mencionadas arriba son también constituyentes. Además de éstos, existen otros dos constituyentes, la ledeburita y la perlita. La primera es el nombre que se da a la composición eutética sólida; se presenta únicamente en el hierro colado y, después de la transformación que

se lleva a cabo al enfriarse a la temperatura ambiente, adquiere el aspecto moteado que se ilustra en la figura # 02(b). La lebedurita transformada consiste en colonias de perlita en una red continua (llamada matriz) de cementita.

La perlita es un constituyente muy importante que se encuentra tanto en el acero como en el hierro colado. En la figura # 02 (a) se muestra la estructura eutectoide, que se compone de capas alternas de ferrita y cementita. La perlita tiene valores de dureza y ductilidad intermedios a los de la ferrita y la cementita.

Figura # 02

Enfriamiento lento de las aleaciones de hierro y carbono. Estudie el siguiente enfriamiento lento de varias aleaciones distintas de hierro y carbono, en las que existe una correlación entre las propiedades y la microestructura. Vea figura #03.

Figura # 03

Cuando un acero contiene 0.3 por ciento de carbono, se enfría desde una temperatura superior a 2800 ºF (1540 ºC), la solidificación comienza a unos 2775 ºF (1524 ºC), con la formación de una solución sólida que contiene casi 0.10 por ciento de carbono. Al reducirse más todavía la temperatura, se forma una mayor cantidad de sólidos y va quedando menos líquido, hasta finalmente se solidifica del todo. La austenita sólida tiene la misma composición del líquido

del que se formó, y contiene 0.3 por ciento de carbono. A 1550 ºF (843 ºC), se producen cristales homogeneos equiaxiales de austenita, como se demuestra en la figura #03 (b) (4). A unos 1500 ºF (816 ºC), una nueva fase, la ferrita, comienza a precipitarse de los granos de austenita. A formación de núcleos de la nueva fase aparece principalmente en los límites de los antiguis granos de austenita (Este es un modo común de comportamiento. Bajo condiciones de equilibrio, generalmente se forman nuevas fases en el límite de los granos de aquellas que están presentes. En este ejemplo a la nueva fase se le llama proeutectoide por que ésta sobre enfriamiento, a prior de la formación de la estructura eutectoide. En aceros hipoeutectoides, la ferrita es proeutectoide; en aceros hipereutectoides, la cementita es proeutctoide.) conforme la temperatura se acera a 1333 ºF (724 ºC), aumenta la cantida de ferrita y su composiciónvaría hacia el 0.03 por ciento de carbono. Al mismo tiempo, la cantidad de austenita se reduce y su composcición se acerca al 0.8 por ciento de carbono. A 1400 ºf(760 ºC), la austenita tiene una composición de de 0.6 por ciento de carbono y la ferrita 0.02 por ciento de carbono. De acuerdo con el principio de la palanca, el porcentaje de austenita es (0.28/0.58)*100=48% , y el porcentaje de ferrita es (0.30/0.58)*100=52% . A 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone del 36 por ciento de  que contiene 0.8 por ciento de carbono y 64 por ciento de  que, a su vez, contiene 0.03 por ciento de carbono. A 1333 ºF (724 ºC), la austenita restante experimenta una transformación en la estructura eutectoide conocida con el nombre de perlita. La perlita se froma siempre a partir de la austenita a 1333 ºF (724 ºC) en condiciones de equilibrio. Puesto que a sta temperatura la austenita contiene invariablemente 0.8 por ciento de carbono, la perlita en la que se transforma contiene siempre 0.8 por ciento de carbono. La perlita se compone de 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita. La composición de la perlita puede determinarse mediante el uso de a regla de la palanca, utilizando 0.8 por ciento de carbono como la ubicación del punto de apoyo, 0.02 por ciento de carbono como la composición de  y 6.7 por ciento de carbono como la composición de la cementita. Así pues, a temperaturas inferiores a 1333 ºF (724ºC), la estructura final correspondiente a una composición total de 0.3 por ciento de carbono consiste en una fase  grande (64 por ciento) y continua, y una cantidad más pequeña (36 por ciento) de perlita. La cantidad de perlita es la misma que la de austenita de la que se formó: esto es, , que existía a temperaturas levemente superiores a 1333 ºF (724ºC). Está presente en la aleación que estamos estudiando, como islas de perlita aisladas en un mar de ferrita. Estas islas se denominan con frecuencia colonias de perlita y el mar, matriz. La microestructura que existe inmediatamente después de la transformación de la austenita en perlita, se mantiene básicamente invariable al efriarse a la temperatura ambiente.

Cuando la composición total es del 0.8 por ciento de carbono, la solidificación se inicia alrededor de los 2700 ºF (1485 ºC) y concluye aproximadamente 2500 ºF (1370 ºC). A una temperatura muy levemente superior a 1333 ºF (724 ºC), la estructura consiste en cristales homogéneos de austenita que contienen 0.8 por ciento de carbono. A exactamente 1333 ºF (724

ºC), la austenita se transforma en una estructura totalmente perlítica cuya composición y forma es la anteriormente descrita. En condiciones que se acercan al equilibrio, la transformación de austenita en perlita se produce a una temperatura constante. Para esta composición en particular (0.8 por ciento de carbono), no existe una fase continua masiva correspondiente la ferrita de aleación de 0.3 por ciento de carbono. Es este caso, como en los de enfriamiento equilibrado, la perlita consta de 88 porciento de alfa y 12 por ciento de cementita y contiene 0.8 por ciento de carbono.

Al enfriar acero derretido que contiene 1.1 por ciento de carbono, la solidificación se inicia a aproximadamente 2675 ºF (1470 ºC). A 1500 ºF (816 ºC), la austenita homogénea comienza a precipitar cementita en los límites de los granos. La formación de la nueva fase sigue el mismo patrón que la precipitación de la ferrita en la austenita: la mayor parte de la formación de núcleos se registra alrededor de los límites de los granos. Es así como se forma la red de cementita que rodea los límites de grano, conforme sale de la solución una cantidad cada vez mayor de cementita. A una tempertatura de 1334 ºF (725 ºC), la estructura se compone de un 95 por ciento de  y 5 por ciento de Fe 3C. Estos porcentajes se determinan mediante la aplicación de la regla de la palanca:

Cantidad de  = [ (6.7-1.1) / 6.7-0.8) ] * 100 = 95 por ciento La cantidad de Fe3C es:

Fe3C = [ (1.1 – 0.8) / (6.7 – 0.8)] * 100 = 5 por ciento

Al descender la temperatura por debajo de 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en perlita como siempre lo hace a esta temperatura. La red de cementita no se ve afectada por la disminución de temperatura; por lo tanto, la estructura final se compone del 95 por ciento de perlita rodeada de una red delgada de cementita. Puesto que la perlita que se forma lentamente tiene siempre la misma composición y estructura, debe contener 88 por ciento de alfa y 12 por ciento de cementita.

Veamos el enfriamiento de una aleación derretida de hierro y carbono que contiene 2.5 por ciento de carbono. En esta aleación los núcleos de austenita comienzan a formarse a

aproximadamente 2425 ºF (1330 ºC), como puede observarse en la figura # 03. Conforme se desarrolla el enfriamiento, aumenta la cantidad de sólidos hasta que, ligeramente por encima de 2066 ºF (1130ºC), la masa consta de 78 por ciento de gamma y 22 por ciento de líquido. Este contiene 4.3 por ciento de carbono y se conoce como la composición eutética. Al disminuir la temperatura por debajo de 2066 ºF (1130 ºC), la red líquida se solidifica para formar el sólido eutético, ledeburita. Para esta y otras aleaciones similares, el sólido eutético se compone de núcleos de austenita rodeados por una matriz de cementita como se muestra en la figura #02 (b) y en el bosquejo de la figura # 03. Conforme avanza el enfriamiento, la austenita precipita a la cementita, tanto en la fase primaria, como en la eutética. Esto puede determinarse a partir del diagrama de hierro y carburo de hierro, que muestra que aunque la austenita puede disolver 2.0 por ciento de carbono a 2066 ºF (1130 ºC), solo se puede disolver 0.8 por ciento de carbono a 1333 ºF (724 ºC). A 1333 ºF (724 ºC), la austenita se transforma en perlita. Así pues, la estructura final se compone de grandes colonias de perlita (de cristales primarios de austenita) además de pequeñas colonias de perlita (de austenita eutética), en una matriz de cementita eutética. Las pequeñas colonias de perlita y la cementita que la rodea, producen la estructura eutética que se conoce como ledeburita. La aleación que acabamos de describir tiene una estructura típica del hierro colado blanco.

No se analiza la estructura de las aleaciones hipereutéticas, debido a que no se encuentran normalmente en la práctica.

Correlación de las propiedades y la estructura de las aleaciones de hierro y carbono enfriadas lentamente. El examen de la figura # 03 muestra que las propiedades mecánicas de las aleaciones de hierro y carbono varían ligeramente y continuamente con los cambios en el contenido de carbono. De hecho, tanto la estructura, como las propiedades dependen de dicho contenido de carbono. Al aumentar el contenido de este último, disminuye la cantidad de ferrita libre, hasta llegar al 0.8 por ciento de carbono no queda nada de este compuesto y la estructura se compone solo de eutectoide. Mas allá del 0.8 por ciento de carbono, la fase continua es de cementita dura y quebradiza. Cuando la composición es tal, que la fase continua es blanda y dúctil, la aleación tiende también a serlo; por otra parte, una fase continua dura y quebradiza dará como resultado una aleación de las mismas características. Además, tanto la cantidad, como la calidad de la fase continua, ejercen un efecto sobre las propiedades. Si aumenta la cantidad de ferrita blanda y dúctil, las aleaciones se hacen más blandas y dúctiles. Estas correlaciones entre las propiedades y la microestructura han producido una generalización importante aplicable a las aleaciones heterogéneas: las propiedades de una aleación heterogénea tienden a ser regidas por

las propiedades y la cantidad de la fase continua. Las propiedades reciben también la influencia de la distribución de las fases (tanto continuas como discontinuas).

Solidificación de aceros

En su forma más simple, los aceros son aleaciones del hierro (FE) y del carbón (C). el diagrama de fase de Fe-C se muestra abajo, hasta alrededor del carbón 7%. Esto es un diagrama de fase bastante complejo pero, como estamos solamente interesados en los aceros parte del diagrama que podemos hacer algunas simplificaciones. Los aceros han sido tan importantes para los ingenieros por tan muchos años que cada fase ha heredado un nombre así como una carta griega.

Figura # 04

La fase gamma se llama austenite. Austenite es una fase de alta temperatura y tiene una estructura cúbica centrada cara (FCC) [ que sea una estructura pila de discos cercana ]. La fase de la alfa se llama ferrita. La ferrita es un componente común en aceros y tiene una estructura cúbica centrada cuerpo (BCC) [ que pila de discos menos denso que la FCC ]. El FE3C se llama cementite y pasado (para nosotros), el " eutéctico como " la mezcla de alpha+cementite se llama pearlite. Figura # 05

El problema se puede simplificar por las estadísticas para las dos puntas siguientes: 

Estamos considerando los aceros, y por lo tanto necesitamos solamente mirar el diagrama de fase de Fe-C hasta alrededor de 1.4%C  Podemos no hacer caso de cambios muy de alta temperatura de la fase pues éstos no afectarán la aleación final - mirando el diagrama de fase, todas las aleaciones hasta 1.4%C deben refrescarse con la fase gamma (del austenite). Consideraremos tan las aleaciones abajo alrededor de 1000C Figura # 06

El diagrama de fase muestra el diagrama de fase de Fe-C hasta alrededor de 1.4%C y de 1000C. Esto aparece causar un problema - no hay fase líquida pero de otra manera, en forma, el diagrama de fase parece nuestro diagrama de fase " estándar ". En hecho, aunque las reacciones

ocurren en el de estado sólido pueden ser tratadas exactamente de la misma manera como si incluyeran el estado líquido. Hay, aunque, una claúsula. La palabra eutéctica es substituida por el eutectoid de la palabra (eutéctico-como) para mostrar que la reacción está en el estado sólido

Figura # 07

La composición del eutectoid es Fe-0.83wt%C y en esta composición el austenite de alta temperatura experimentará la reacción del eutectoid en 723C:  austenite > ferrite+cementite  gamma > alfa + FE3C La ferrita y el cementite crecen cooperativamente como mezcla laminar (pearlite). (ver figura # 12)

Figura # 08 Una aleación de la composición Fe-1.3wt%C está a la derecha de la punta del eutectoid y así que se llama acero del hypereutectoid. Pues el austenite cruza la línea de la fase en el t2 que algo del austenite transformará en cementite y así que el austenite restante llegará a ser más rico en hierro. Las consideraciones enérgias muestran que la forma de la voluntad del cementite (y ) en los límites de grano del austenite. Cuando el acero alcanza la temperatura del eutectoid el austenite restante estará de composición del eutectoid y transforma en el pearlite (alpha+cementite). Así pues, la microestructura final contendrá cementite en los límites de grano (favorable-eutectoid cementite) y el pearlite (eutectoid). (ver figura # 12).

Figura # 09

Las muestras del acero del hypereutectoid muestran normalmente menos favorable-eutectoid cementite en el borde que en el resto de la muestra. Esto es debido a la descarburación en las capas superficiales en las altas temperaturas (el carbón difunde de la superficie de la muestra).

Aunque esto es un efecto indeseado el efecto reverso se utiliza comúnmente. Un componente se pone en un ambiente carbón-rico caliente que anime la difusión del carbón en la superficie del acero, aumentando la dureza superficial. Se llama esto carburación del caso

Figura # 10

Las microestructuras de aceros varían considerablemente con el contenido del carbón, con el aumento de las cantidades del duro, quebradizas, cementite estando presente en aceros de un contenido más alto del carbón. Esta variación en microestructura conduce a los cambios significativos en características de la ingeniería, según lo mostrado en la figura. Por ejemplo, la fuerza aumenta con el contenido del carbón hasta la composición del eutectoid pero después comienza a caer mientras que una red del grano-límite del cementite quebradizo se forma.

Figura # 11

Los diagramas de fase permiten que entendamos porqué las características de aceros cambian con el contenido del carbón que diferencia y nos permiten hacer los aceros con las características que requerimos.

Micrográfo de Fe-0.83wt%C El espécimen metallographically ha estado preparado y grabado al agua fuerte en hervir el picrato alcalino del sodio (muy peligroso y explosivo!) qué manchas la superficie del cementite brown/black y hojas la ferrita unattacked

Figura # 12 o

Conducción térmica Para que el calor pase o se transmita de un cuerpo a otro, se requiere que los mismos estén a diferentes temperaturas. Sean A y B dos fuentes que se hallan separadas, siendo sus temperaturas T1 y T2 (T1 mayor que T2). El calor pasara desde A hacia B, hasta que se produzca el equilibrio térmico

[editar] Formas de propagación del calor [editar] Conducción

Esta forma de transmisión del calor se origina en sólidos, en los cuales la energía térmica (en forma de energía cinética) se propaga por vibración de molécula a molécula. La expresión que rige la transmisión del calor en la unidad de tiempo por conducción es , siendo: λ el coeficiente de conductibilidad térmica que depende del material A es el área de la barrera que permite la conducción térmica entre los sistemas e es el espesor de muro Si el flujo de calor es atraves de varias barreras, se puede generalizar la expresión para dar

[editar] Convección

Movimiento por convección Esta forma de propagación del calor se produce en los fluidos (líquidos y gases ) por un movimiento real de la materia .este movimiento se origina por la disminución de la densidad de los fluidos con el aumento de temperatura (los hace mas livianos por unidad de volumen) que produce un ascenso de los mismos al ponerse en contacto con una superficie mas caliente y un descenso en el caso de ponerse en contacto con una superficie mas fría. La expresión que rige la transmisión del calor por convección es q = α(T1 − T2), siendo

q el flujo de calor por unidad de tiempo y superficie α el coeficient de transmisión de calor T1 es la temperatura del fluido T2 es la temperatura del material en contacto con el líquido [editar] Radiación

Todos los cuerpos irradian energía en forma de onda electromagnética , similares a las ondas de radio, rayos x , luz, etc. Lo único que difiere en estos distintos tipos de ondas es la longitud de onda o frecuencia. El calor por radiación al igual que estas ondas se propaga a la velocidad de la luz (3x10.000.000 m/ seg.) y no necesita de un medio para poder propagarse. Se transmite a través del vacío mejor que a través del aire ya que este siempre absorbe parte de la energía. La función que rige esta forma de propagación de la energía es la ley de Stefan – Boltzman q = eσT4, siendo q el flujo de calor por unidad de tiempo y superficie e la emisividad de la superperficie y varía entre 0 y 1 (cuerpo negro)

σ es la constante de Stefan – Boltzman y vale T es la temperatura absoluta del cuerpo Todos los cuerpos irradian y reciben energía irradiada por otros cuerpos por lo tanto la energía neta irradiada es la diferencia entre la irradiada y la recibida la cual se expresa , siendo T1 la temperatura del cuerpo 1 T2 la temperatura del cuerpo 2 K el coeficiente de radiación mutua

REGLA DE LA PALANCA

Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso), es una regla matemática valida para cualquier diagrama binario.

En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En regiones bifásicas, sin embargo, se deberá calcular la cantidad de cada fase. Una técnica es hacer un balance de materiales.

Para calcular las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca sobre la isoterma con su punto de apoyo en la composición original de la aleación (punto dado). El brazo de la palanca, opuesto a la composición de la fase cuya cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para obtener la cantidad de dicha fase.

En general la regla de la palanca se puede escribir de la siguiente forma:

PORCENTAJE DE FASE = brazo opuesto de palanca x 100 Longitud local de la isoterma

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente).

Pasos para calcular las composiciones:

1.Dibujar la isoterma.

2.Encontrar el largo del lado opuesto a la composición deseada.

3.Dividir el largo del opuesto por la isoterma:

4.El resultado se multiplica por 100. Ejercicio

Para dejar esto más claro, se pondrá un ejemplo: Una aleación de cobre - níquel contiene 47% en peso de Cu y 53% de Ni y está a 1.300 °C. (a)¿Cuál es el porcentaje en peso de cobre en las fases sólida y líquida a esta temperatura? (b)¿Qué porcentaje en peso de la aleación es líquida, y qué porcentaje es sólida?

Solución:

a) % Cu en fase líquida: 55% Cu % Cu en fase sólida: 42% Cu Xs= (W0 –Wl) / (WS-Wl)

b) Para el Níquel: wo = 53%, wl = 45%, ws = 58%. Ws= (53-45) / (58-45) = 0,62 Wl = (Ws-W0) / (Ws-Wl)= (58-53)/(58-45)= 0,38

Diagrama Fe-C. Fases en el sistema Fe-Fe3C. En la figura 4.1 se representa el diagrama de fases del sistema binario Fe- Fe3C para contenidos altos de hierro. El hierro sufre cambios estructurales con la temperatura antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable es la ferrita o Fe-α (estructura CCI). A 912 °C la ferrita sufre una transformación polimórfica a austenita o Fe-γ (CCC). La austenita se transforma a otra fase CCI a 1394 °C que se conoce como ferrita-δ, la cual funde a1538 °C. Todos estos cambios se pueden observar en el eje vertical del diagrama de fases para el hierro puro. El otro eje de la figura 4.1 sólo llega al 6.70 %

en peso de C, concentración que coincide con el 100 % molar del compuesto intermedio Fe3C conocido como carburo de hierro o cementita. La parte entre el 6.70 % de C y el 100 % de C (grafito puro) no es importante desde el punto de vista tecnológico y no se va a estudiar. El carbono en un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones sólidas con la ferrita (α y δ) y con la austenita (γ). La ferrita tiene una estructura CCI y en los intersticios se puede situar muy poco carbono, el máximo es un 0.022 % a 727 °C. Aunque en proporción muy baja, el carbono afecta mucho a las propiedades mecánicas de la ferrita. Esta fase es relativamente blanda, ferromagnética por debajo de 768 °C, y de densidad 7.88 g/cc. La austenita (Fe-γ) de estructura CCC tiene una solubilidad máxima de carbono del 2.11 % a 1148 °C. Solubilidad aproximadamente 100 veces superior a la de la ferrita. Las transformaciones de fase de la austenita son muy importante en los tratamientos térmicos de los aceros como se verá más adelante. La ferrita-δ solo se diferencia de la α en el tramo de temperatura donde existe. Al ser sólo estable a altas temperaturas no tiene interés técnico.La cementita desde el punto de vista mecánico es dura y frágil, y su presencia aumenta la resistencia de muchos aceros.

ALEACIONES HIERRO-CARBONO El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro( CFe 3 ). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro. Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura. Las fundiciones, en general, no son forjables.  Tipos de aceros: En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito.

FERRITA Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm 2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación. La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en: -

Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)

-

Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)

-

Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita. CEMENTITA

Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como: Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos. -

Componente de la perlita laminar.

-

Componente de los glóbulos en perlita laminar.

-

Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C) PERLITA

Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers,

con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm 2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular. AUSTENITA Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita. Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm 2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas. MARTENSITA Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz.

Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm 2 y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética. BAINITA Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita. LEDEBURITA La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono. La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita

Los diagramas de fases son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de aleación a diversas temperaturas presiones y composiciones; los diagramas de fases se construyen empelando la información recopilada en la curvas de enfriamiento. Las curvas de enfriamiento son gráficos de tiempo y temperatura generados para diversas composiciones de aleaciones y brindan información sobre las temperaturas de transición de las fases. En los diagramas de fases binarios en equilibrio temperatura-composición se indican que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas para condiciones de enfriamiento o calentamiento lentos que se acercan al equilibrio; evidenciándose en el diagrama Cobre-Níquel (bifásico), el cual servirá de ejemplo para explicar lo anteriormente mencionado.

En los diagramas bifásicos, la composición química de cada una de las dos fases se indica por la intersección de la isoterma con los límites de fase, el fragmento en peso de cada fase en una región de dos fases puede determinarse usando la regla de la palanca a lo largo de una isoterma (línea de enlace a una temperatura particular). En estos diagramas también se relaciona la regla de las fases de Gibbs, la cual establece que en el equilibrio el número de fases más los grados de libertad es igual al número de componentes más 2, P + F = C + 2 de forma abreviada, con la presión 1atm, P + F = C + 1. 2. DIAGRAMA COBRE-NIQUEL

Los diagramas se compones de la aleaciones estas aleaciones Son una mezcla sólida homogénea, de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Ni Pb... Para su fabricación en general se mezclan loselementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes fundan. Las aleaciones presentan brillo metálico y alta conductividad eléctrica y térmica, aunque usualmente menor que los metales puros. Las propiedades físicas y químicas son, en general, similares a la de los metales, sin embargo las propiedades químicas tales como dureza, ductilidad, tenacidad etc. pueden ser muy diferentes, de ahí el interés que despiertan estos materiales, que pueden tener los componentes de forma aislada. Las aleaciones no tienen una temperatura de fusión única, dependiendo de la concentración, cada metal puro funde a una temperatura, coexistiendo simultáneamente la fase líquida y fase sólida como se puede apreciar en los diagramas de fase anteriormente vistos. Actualmente de

estudia en las aleaciones porque pueden presentar propiedades muy importantes en la industria y como vemos una de las aleaciones importantes utilizadas es la aleación Cu-Ni esta aleación. Los elementos como el cobre y níquel tienen solubilidad total tanto en estado líquido como sólido. En el diagrama de la figura 1 se muestra el diagrama de fases de este sistema en el que se representa la composición química de la aleación en tanto por ciento en peso en abscisas y la temperatura en °C en ordenadas. Este diagrama se ha determinado bajo condiciones de enfriamiento lento y a presión atmosférica y no tienen aplicación para aleaciones que sufren un proceso de enfriamiento rápido. El área sobre la línea superior del diagrama, línea de líquidus, corresponde a la región en la que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por debajo de la línea inferior, línea sólidus, representa la región de estabilidad para la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación. FIGURA 2

Para una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones totalmente en fase sólida, en fase (sólida + líquida) y en fase totalmente líquida según la proporción de sus componentes. De la misma manera, para una determinada proporción de la mezcla, se puede definir una temperatura por debajo de la cual toda la aleación se encuentre en fase sólida, un intervalo de temperaturas en donde la aleación se encuentre en dos fases (sólida y líquida) y una temperatura a partir de la cual toda la aleación esté líquida.

El diagrama bifásico del sistema cobre-níquel (Figura 2a) quizás es el de más fácil comprensión e interpretación. Como anteriormente habíamos nombrado los ejes, el de las ordenadas que representa la temperatura, y en el de abscisas la composición en peso (abajo) y el porcentaje atómico (arriba) de la aleación de níquel. La composición varía desde el 0% en peso de Ni (100% de Cu) en el extremo izquierdo horizontal hasta el 100% en peso de Ni (0% de Cu) en el derecho. FIGURA 3

La zona líquido L es una disolución líquida homogénea compuesta por cobre y níquel. La fase α es una disolución sólida sustitucional, de átomos de cobre y de níquel, de estructura cristalina FCC. A temperaturas inferiores a 1080ºC el cobre y el níquel son mutuamente solubles en estado sólido en cualquier composición. Esto se puede explica porque Cu y Ni tienen la misma estructura cristalina (FCC), radios atómicos y electronegatividades casi idénticos y valencias muy similares, lo podemos observar en la tabla periódica. Otro concepto importante para tener en cuenta es que el sistema cobre-níquel se denomina isomorfo debido a las solubilidades totales de los dos componentes en estados sólido y líquido.

Las líneas sólidas (sólidus) y líquidas (líquidus) de la (Figura 3.a), interceptan en los dos extremos de la composición y corresponden a las temperaturas de fusión de los componentes puros. Las temperaturas de fusión del cobre y del níquel puros son de 1085ºC y 1455ºC, respectivamente. El calentamiento del cobre puro significa desplazamiento vertical a lo largo del eje izquierdo de la temperatura. El cobre permanecerá sólido hasta llegar a la temperatura de fusión. La transformación sólido a líquido tiene lugar a la temperatura de fusión, que permanece constante hasta que termina la transformación. Reiterando lo anterior para otra composición distinta de la de los componentes puros, ocurre el fenómeno de la fusión en un tramo de temperaturas comprendido entre las líneas sólidas y líquidas. En este tramo permanecen en equilibrio las fases sólido y líquido.

Por ejemplo, calentando una aleación de 50% en peso de Ni y 50% en peso de Cu (Figura 3.a), empieza a fundir a unos 1280ºC y la proporción de líquido aumenta al incrementar la temperatura hasta llegar a los 1320ºC, en que la aleación funde totalmente. Ahora Interpretaremos los diagramas de fases de la (Figura 3) para un mayor entendimiento. Conociendo la composición y la temperatura de equilibrio, los sistemas binarios o bifásicos suministran la siguiente información:

(1) las fases presentes, (2) la composición de cada fase (3) la fracción o porcentaje de cada fase. El procedimiento empleado para realizar estas determinaciones se desarrollará en el sistema cobre-níquel.

Este procedimiento se volverá relativamente fácil para conocer las fases presentes. Se localiza en el diagrama el punto definido por la temperatura y la composición y se identifican las fases presentes en este campo.

Ejemplos de análisis

Ejemplo 1: El punto A de la Figura 1.a representa una aleación de 60% en peso de Ni y 40% en peso de cobre a 1100ºC; puesto que este punto se encuentra en la región monofásicaα, sólo estará presente la faseα fase sólida.

Ejemplo 2: Una aleación de 35% en peso de Ni y 65% en peso de Cu a 1250’C (punto B) consistirá en la fase a en equilibrio con la fase líquida. En la aleación 35% en peso Ni y 65% Cu, de la (Figura 3.b), a 1250ºC, existen las fases α y líquido. La dificultad radica en calcular la proporción de ambas. El segmento de recta de reparto

se ha trazado para determinar las composiciones de las fases α y líquido. La composición global de la aleación está localizada en el punto Co de este segmento: las fracciones de las masas de las fases presentes están representadas por WL y Wα, La fracción WL se calcula mediante la regla de la palanca.

Para este caso utilizaremos del ejemplo 2 el siguiente concepto nombrado como regla de la palanca, y se explicara ampliamente su definición.

REGLA DE LA PALANCA

Esta fórmula matemática consiste en encontrar las cantidades de % de sustancia en los diagramas de fases, Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso), y es válida para cualquier diagrama de fase binario. La regla de la palanca da a conocer la composición de las fases y es un concepto comúnmente utilizado en la determinación de la composición química “real” de una aleación en equilibrio a cualquier temperatura en una región bifásica. En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En regiones bifásicas se deberá calcular la cantidad de cada fase. Y la técnica es hacer un balance de materiales. Para calcular las cantidades de líquido y de sólido, se construye una palanca sobre la isoterma con su punto de apoyo en la composición original de la aleación (punto dado). El brazo de la palanca, opuesto a la composición de la fase cuya cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para obtener la cantidad de dicha fase.

4. REGLA DE FASES DE GIBBS

A partir de consideraciones termodinámicas, J. W. Gibbs obtuvo una ecuación que permitía calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Esta ecuación llamada regla de las fases de Gibbs, es P+F=C+2

Donde, P = número de fases que pueden coexistir en el sistema C = número de componentes en el sistema F = grados de libertad Usualmente, un componente C es un componente, un compuesto o una solución en el sistema. F son los grados de libertad, es decir número de variables como (presión, temperatura y composición) que se pueden cambiar independientemente sin variar el número de fases en equilibrio en el sistema. Considere la aplicación de la regla de Gibbs al diagrama a continuación de fases presióntemperatura PT del agua pura ver (figura5) en el punto triple coexisten tres fases en equilibrio y como hay un componente en el sistema (agua), se puede calcular el número de grados de libertad. Figura 5

P+F=C+2 3 + F = 1 + 3,

F=0

Como ninguna de las variables (presión o temperatura) se puede cambiar manteniendo el equilibrio al punto triple se le llama punto invariante.

Ahora consideremos la curva de congelación solido-liquido de la (figura 3). En cualquier punto de esa línea coexisten dos fases. Así, aplicamos la regla de las fases, 2+F=1+2 F=1 Este resultado indica que hay un grado de libertad y, por tanto, una variable (P o T) puede cambiarse de forma independiente manteniendo un sistema con dos fases que coexisten. Los diagramas de fases binarios utilizados en la ciencia de los materiales son, en su mayoría, diagramas temperatura-composición, en los que la presión se mantiene constante, por lo general a 1 atm. En este caso, se tiene la regla se fases condensada, dada por P+F=C+1 Y como podemos observar el diagrama binario isomorfo de Cu y Ni de acuerdo con la regla de Gibbs (F = C – P + 1), a la temperatura de fusión de los componentes puros, el número de componentes C es 1 (ya sea Cu o Ni) y el número de fases disponible P es 2 (liquida o solida), lo cual indica que da un resultado de grado de libertad de 0 denominados anteriormente como puntos invariantes. Significaría entonces que cualquier cambio de temperatura modificara la micro-estructura, ya sea a solida o liquida. Por consiguiente, en las regiones monofásicas (liquida o solida), el número de componentes C es 2, y el número de fases disponibles, P es 1, lo que da un grado de libertad de F = 2. Esto significa que se puede mantener la micro-estructura del sistema en esta región mediante la variación independiente de la temperatura o composición. En la región bifásica, el número de componentes, C es de 2, y el número de fases disponibles, P es 2, lo que da un grado de libertad de F = 1. Esto significa que solo una variable (ya sea temperatura o composición) puede modificarse independientemente del tiempo que se mantiene la estructura bifásica del sistema. Si se modifica la temperatura, la composición de las fases también cambiaran.

3.1 MODIFICACION ESTRUCTURAL DE SOLIDOS Y SUS PROPIEDADES POR DEFECTO DE LA TEMPERATURA. Sólidos amorfos y sólidos cristalinos Los sólidos amorfos pueden ser considerados como líquidos sobre enfriados y en ellos los átomos o moléculas están fuertemente ligados pero no presentan ninguna regularidad en su distribución espacial.

Los sólidos cristalinos se caracterizan por poseer una periodicidad casi perfecta en su estructura; es decir, los cristales están formados por una disposición periódica de átomos o moléculas. Una muestra macroscópica e una sustancia cristalina puede presentarse bajo la forma de un cristal único (sólido mono cristalino) o en forma de aglomerados de pequeños cristales (sólidos poli cristalinos). En el primer caso, se presentarán en el cristal ciertas imperfecciones en la repetición periódica de sus unidades estructurales (dislocaciones, vacantes, impurezas, etc.) que pueden modificar notablemente sus propiedades físicas. En el segundo, las aglomeraciones tendrán orientaciones aleatorias y estarán separadas por las llamadas “fronteras de gránulos”. Un cristal ideal se construye mediante una repetición infinita regular en el espacio de estructuras unitarias idénticas. En los cristales más simples, tales como en los de cobre, oro o plata, la estructuras unidad contienen un solo átomo, pero normalmente, la estructura unidad contiene varios átomos que en algunos casos llegan a superar el centenar en los cristales inorgánicos y 104 en los cristales que componen las proteínas.

Desde el punto de vista macroscópico, se aplica el nombre de sólido a sustancias rígidas y elásticas. Atendiendo a su estructura, podemos dividir los sólidos en dos grandes categorías: Sólidos Sólidos cristalinos

amorfos

Los sólidos amorfos pueden ser considerados como líquidos sobreenfriados y en ellos los átomos o moléculas están fuertemente ligados pero no presentan ninguna regularidad en su distribución espacial. Los sólidos cristalinos se caracterizan por poseer una periodicidad casi perfecta en su estructura; es decir, los cristales están formados por una disposición periódica de átomos o moléculas. Una muestra macroscópica e una sustancia cristalina puede presentarse bajo la forma de un cristal único (sólido monocristalino) o en forma de aglomerados de pequeños cristales (sólidos policristalinos). En el primer caso, se presentarán en el cristal ciertas imperfecciones en la repetición periódica de sus unidades estructurales (dislocaciones, vacantes, impurezas, etc) que pueden modificar notablemente sus propiedades físicas. En el segundo, las aglomeraciones tendrán orientaciones aleatorias y estarán separadas por las llamadas “fronteras de gránulos”. Un cristal ideal se construye mediante una repetición infinita regular en el espacio de estructuras unitarias idénticas. En los cristales más simples, tales como en los de cobre, oro o plata, la estructuras unidad contienen un solo átomo, pero normalmente, la estructura unidad contiene

varios átomos que en algunos casos llegan a superar el centenar en los cristales inorgánicos y 104 en los cristales que componen las proteínas Estructura cristalina Todo cristal puede describirse en función de un motivo, formado por átomos o grupos de átomos, que recibe el nombre de base y que se repite en las posiciones correspondientes a un conjunto triplemente periódico de puntos en el espacio tridimensional denominado red. Se denomina cristal de Bravais a aquellas estructuras en las que la base consta de un único átomo. El conjunto de puntos de la red constituye un espacio vectorial sobre el anillo de los números enteros. Los vectores generadores de dicho espacio vectorial se denominan vectores característicos de la red y determinan un paralelepípedo llamado celda primitiva del cristal o celda unidad. Dicha celda primitiva no es única y por convenio se denomina celda primitiva a aquella construida con vectores característicos cuyos módulos sean los más pequeños posibles. Es evidente que a cada celda primitiva puede asociarse unívocamente un punto de la red. La celda unidad constituida por los vectores fundamentales goza de las siguientes propiedades: 1ª) Bajo la acción de traslaciones definidas por la ecuación:

Llena todo el espacio. El conjunto de operaciones T así definidas para todos los valores enteros de n1, n2 y n3, es el grupo de traslaciones de la red. 2ª) la celda unidad es aquella que tiene el volumen mínimo que viene dado por:

La densidad de puntos de la red es la de uno por celda primitiva. Otra manera de elegir una celda de igual volumen mínimo Vc, denominada celda primitiva de Wigner-Seitz, es trazando planos mediatrices a las rectas que unen cada punto de la red con sus vecinos. Una celda (primitiva ó no) queda perfectamente caracterizada cuando se conocen sus tres vectores característicos. En el caso más general, esto equivale a conocer seis números. Por norma general, la información se refiere a los módulos de los tres vectores (notación habitual a, b, c) y a los ángulos que forman dos a dos (notación habitual a, b, g). El conjunto de los tres módulos y los tres ángulos recibe el nombre de parámetros de la celda.

Propiedades y tipos de redes cristalinas Las redes cristalinas pueden convertirse en ellas mismas no solo mediante los vectores de traslación T dados por la ecuación (1) sino también mediante otras operaciones puntuales de simetría como son: la rotación en torno a un cierto eje y de ángulo determinado, y la reflexión en un cierto plano. El conjunto de operaciones de simetría de una estructura, dotado de una ley de composición interna de aplicación sucesiva posee una estructura matemática de grupo y recibe el nombre de grupo espacial del cristal. Las operaciones de simetría enunciadas dan lugar a los siguientes elementos: Ejes de rotación, planos de reflexión y centros de simetría o inversión. Pueden encontrarse redes que admiten ejes de rotación de órdenes 1, 2, 3, 4 y 6, que corresponden a rotaciones de 2p, 2p/2, 2p/3, 2p/4 y 2p/6 radianes o a múltiplos enteros de estas rotaciones, pero no se puede encontrar ninguna red que se transforme en si misma mediante rotaciones de 2p/5 ó 2p/7 radianes. Una molécula sí que puede admitir esos tipos de simetría de rotación, pero una red no. Una red tiene un eje de rotación – inversión, si coincide consigo misma después de aplicarle una rotación alrededor de ese eje, seguida de una inversión. Una red determinada puede tener varios tipos de elementos de simetría. Las diferentes combinaciones de elementos de simetría permitidos se llaman grupos puntuales. Existen 32 grupos puntuales para las redes cristalinas. Cada grupo puntual está ligado a la estructura geométrica de la red. Una misma estructura de red puede poseer más de un grupo puntual. Los 32 grupos puntuales se asocian a 14 tipos de redes, llamadas redes de Bravais, que a su vez se agrupan en siete sistemas cristalinos. Para definir las redes de Bravais se imponen condiciones a las longitudes a, b, c de los vectores traslacionales y a los ángulos que forman entre ellos. Como puede observarse en la figura 1, en la definición de algunas redes no se utilizan vectores traslacionales primitivos y las celdas correspondientes no son celdas unidad. Posición y orientación de los planos en el cristal. Índices de Miller Se denominan planos cristalinos a aquellos planos geométricos que contienen puntos de la red. La posición y orientación de los planos de un cristal se determina por tres puntos del plano que no sean colineales. Si cada uno de los puntos pertenece a un eje del cristal, puede especificarse el plano dando las posiciones de los puntos a lo largo de los respectivos ejes en función de las constantes de la red. Si, por ejemplo, los puntos que determinan el plano tienen coordenadas (4,

0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 2) con respecto a los vectores de los ejes referidos a algún origen común, el plano puede especificarse por los tres números 4, 1, 2. De todos modos, es más frecuente especificar la orientación de un plano por medio de los índices de Miller. Estos son tres números enteros, h, k, l que se escriben con la notación (h, k, l) y que se obtienen de la siguiente forma a) Se miden las intersecciones de un plano cualquiera de la familia con los ejes situados en las direcciones de los vectores característicos. Sean p, q, r dichas intersecciones. b) Se forman los inversos de las intersecciones en unidades de vector característico, es decir a/p, b/q, c/r y se simplifica si procede. Se multiplican las tres fracciones por el mínimo común múltiplo de los denominadores con lo que se obtienen tres enteros que son h, k, l. El resultado se encierra entre paréntesis, (h, k, l). Si una intersección tiene lugar en el infinito, el índice correspondiente vale 0. Si un plano corta a un eje en su parte negativa, el correspondiente índice es negativo y se indica colocando una raya encima de él. Los índices de Miller de las caras de un cristal cúbico son (1 0 0), (0 1 0), (0 0 1), ( 0 0), (0

0),

(0 0 ). Planos equivalentes por simetría pueden denotarse utilizando llaves en vez de paréntesis para contener a los índices de Miller. De ese modo, la serie de las caras del cubo se designa en la forma {1 0 0}. Una importante magnitud es la distancia interplanar entre los planos de una familia dada. La distancia interplanar, d, es la existente entre dos planos sucesivos de la familia dada. Evidentemente, d es función de los índices de Miller y de los parámetros del cristal. Se denomina zona a un conjunto de planos del cristal, todos los cuales son paralelos a una dirección determinada. Esta dirección recibe el nombre de eje de la zona. Los índices de una dirección en un cristal se expresan por la serie de los enteros más pequeños que dan la relación de los componentes de un vector en la dirección deseada referida a los ejes. Estos enteros se escriben dentro de un corchete.

En un cristal, por ejemplo, el eje X es la dirección [1 0 0]; el eje –Y es la dirección [0 0], etc. En los cristales cúbicos la dirección [h k l] es siempre perpendicular al plano (h k l) que tiene los mismos índices. Esto, generalmente, no es cierto en otros sistemas. Las posiciones de un punto en una celda se especifican por las coordenadas atómicas x, y, z, cada una de las cuales es una fracción de la longitud axial a, b ó c en la dirección de la coordenada. Se toma como origen un vértice de celda. Así, las coordenadas del punto central de la celda son (½ , ½, ½).

Las coordenadas de los átomos en las redes fcc (red centrada en las caras) y bcc (red centrada en el centro) se dan normalmente en función de la celda cúbica convencional. Red recíproca Paralelamente a la definición de red cristalina (denominada también red directa) puede definirse para cada cristal otro tipo de red que recibe el nombre de red recíproca.

La red recíproca no es mas que la red que se construye sobre el espacio vectorial dual del espacio vectorial asociado a la red directa. En la notación empleada en esta monografía, en la definición de dicha red recíproca se incluye un factor 2p. Según esto, si los vectores característicos de la red directa son relación:

, los de la red recíproca,

, satisfacen la

Y esto equivale a definir:

La red recíproca tiene importantes propiedades, entre las que cabe citar la de que sus puntos están íntimamente relacionados con la difracción de rayos X producida por la red cristalina. Si los vectores de traslación de la red cristalina son ortogonales también lo serán los de la red recíproca. La celda unidad de la red recíproca es el paralelepípedo formado por los vectores y su volumen viene dado por (2p)³/Vc siendo Vc el volumen de la celda unidad de la red cristalina. Zonas de Brillouin Las zonas de Brillouin son regiones de la red recíproca que tienen las siguientes propiedades:

- Cada zona de Brillouin tiene un volumen igual al volumen de la celda unidad de la red recíproca. - Cada zona de Brillouin puede reducirse a cierta zona, llamada primera zona de Brillouin, por traslación de sus posiciones mediante vectores de la red recíproca hacia la primera zona. - La primera zona de Brillouin, que coincide con la celda unidad de Wigner – Seitz de la red recíproca, llena todo el espacio bajo la acción de traslaciones definidas por la ecuación:

Donde h1, h2 y h3 son números enteros. Las zonas de Brillouin se construyen mediante planos bisectrices perpendiculares a todos los vectores de la red recíproca. La primera zona es el volumen más pequeño alrededor de un origen arbitrario limitado por dichos planos. La segunda zona es el volumen entre la primera zona y el nuevo conjunto de planos y así sucesivamente. La primera zona de Brillouin de una red cristalina cúbica centrada en caras es un octaedro truncado de volumen 4(2p/a³). Si los vectores fundamentales de la red cristalina cúbica centrada en las caras son:

Los vectores fundamentales de la red recíproca, dados por (3) son:

Estructura cristalina Todo cristal puede describirse en función de un motivo, formado por átomos o grupos de átomos, que recibe el nombre de base y que se repite en las posiciones correspondientes a un conjunto triplemente periódico de puntos en el espacio tridimensional denominado red. Se denomina cristal de Bravías a aquellas estructuras en las que la base consta de un único átomo.

El conjunto de puntos de la red constituye un espacio vectorial sobre el anillo de los números enteros. Los vectores generadores de dicho espacio vectorial se denominan vectores característicos de la red y determinan un paralelepípedo llamado celda primitiva del cristal o celda unidad. Dicha celda primitiva no es única y por convenio se denomina celda primitiva a aquella construida con vectores característicos cuyos módulos sean los más pequeños posibles. Es evidente que a cada celda primitiva puede asociarse unívocamente un punto de la red. Un cuerpo sólido, uno de los tres estados de agregación de la materia, se caracteriza porque opone resistencia a cambios de forma y de volumen Los sólidos presentan propiedades específicas: 

Elasticidad: Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un resorte es un objeto en que podemos observar esta propiedad.



Fragilidad: Un sólido puede romperse en muchos pedazos (quebradizo).



Dureza: Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El diamante es un sólido con dureza elevada.



Forma definida: Tienen forma definida, son relativamente rígidos y no fluyen como lo hacen los gases y los líquidos, excepto a bajas presiones extremas.



Volumen definido: Debido a que tienen una forma definida, su volumen también es constante.



Alta densidad: Los sólidos tienen densidades relativamente altas debido a la cercanía de sus moléculas por eso se dice que son más “pesados”



Flotación: Algunos sólidos cumplen con esta propiedad, solo si su densidad es menor a la del líquido en el cual se coloca.



Inercia: es la dificultad o resistencia que opone un sistema físico o un sistema social a posibles cambios, en el caso de los sólidos pone resistencia a cambiar su estado de reposo.



Tenacidad: En ciencia de los Materiales la tenacidad es la resistencia que opone un material a que se propaguen fisuras o grietas.



Maleabilidad: Es la propiedad de la materia, que presentan los cuerpos a ser labrados por deformación. La maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa, teniendo en común que no existe ningún método para cuantificarlas.



Ductilidad La ductilidad se refiere a la propiedad de los sólidos de poder obtener hilos de ellos

El sólido más ligero conocido es un material artificial, el argel, que tiene una densidad de 1,9 mg/cm³, mientras que el más denso es un metal, el osmio (Os), que tiene una densidad de 22,6 g/cm³. Las moléculas de un sólido tienen una gran cohesión y adoptan formas bien definidas. 1. LA MATERIA CRISTALINA Y SUS PROPIEDADES. 1.1. Estructura cristalina

Los minerales se caracterizan, entre otras cualidades, por poseer una estructura cristalina. Los materiales cristalinos son aquellos materiales sólidos, cuyos elementos constitutivos se repiten de manera ordenada en las tres direcciones del espacio. Así, la propiedad característica y definidora de la materia cristalina es ser periódica. Quiere esto decir que, a lo largo de cualquier dirección, los elementos que la forman se encuentran repetidos a la misma distancia (traslación). Este principio es válido partiendo desde cualquier punto de la estructura. Si tomamos las traslaciones mínimas en un cristal (traslaciones fundamentales) y desarrollamos el paralelepípedo que generan, obtendremos la celda unidad.

2. SOLIDIFICACIÓN, CRISTALIZACIÓN Y RECRISTALIZACIÓN. La formación de cristales puede originarse de diferentes maneras, según las características del ambiente donde tenga lugar:

Solidificación: Materiales en estado fundido que sufren un descenso en su temperatura produciéndose un cambio de estado. En muchos casos, este proceso no implica un proceso de cristalización, como sucede frecuentemente en las rocas volcánicas (vidrios volcánicos). En las rocas plutónicas, por el contrario, sí tiene lugar la formación de cristales, puesto que, debido al enfriamiento lento, la solidificación se traduce en múltiples cristalizaciones por precipitación de diferentes minerales.

Cristalización: Se produce la formación de cristales a partir de la incorporación de las sustancias que componen un fluido, por saturación de alguno de los componentes. Existen dos modalidades:

*

Precipitación: Cuando el fluido es un líquido. La causas son variadas: pérdida por evaporación del fluido, aumentos en la concentración (aporte de iones) y variaciones de temperatura o presión. Se verifica en todos los ambientes. *

Sublimación: Cuando el cristalización directamente

fluido es un gas al estado sólido.

se produce la Es el caso

de las fumarolas temperatura.

volcánicas

por

la

bajada

brusca

de

la

Recristalización: Se forma un nuevo cristal por reorganización interna de los componentes de un cristal preexistente. Al variar las condiciones del medio (presión, temperatura o composición), un cristal puede desestabilizarse y empezar a variar su estructura o su composición por difusión en estado sólido. Son muy frecuentes en el ambiente metamórfico pero se verifican también en la meteorización y la diagénesis.

3. CRISTALOGÉNESIS: NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES. Independientemente del mecanismo ambiental que ha originado un cristal, su formación o cristalogénesis sigue una serie de etapas denominadas nucleación y crecimiento. 3.1. Formación de los cristales La formación de un cristal comienza con la nucleación, formación de un núcleo o partícula inicial con las propiedades de un cristal, a partir de la cual éste ya puede crecer. Existen dos modalidades de nucleación: * Nucleación homogénea: Cuando la partícula es de la misma composición y estructura del cristal que se va a formar. * Nucleación heterogénea: Cuando el núcleo es una sustancia diferente y preexistente que favorece su cristalización. Las partículas extrañas quedan incluidas dentro del nuevo cristal como impurezas o inclusiones. * La nucleación es un momento delicado y la inestabilidad del medio puede hacer que su formación no se produzca,

o bien, que sea efímera. A partir de los núcleos se inicia el crecimiento de los cristales siempre que las condiciones del medio lo permitan (tiempo, estabilidad, etc).

Alrededor del núcleo, existen posiciones a partir de las cuales es más sencilla (aportan mayor energía al cristal) la adición de nuevos elementos. La tendencia de las nuevas partículas es rellenar huecos, completar filas, terminar caras y formar nuevas caras. Aún así existen cristales donde las condiciones del medio han permitido el crecimiento de las aristas. El crecimiento real de los cristales se separa de este modelo ideal, produciéndose lo que se denominan defectos cristalinos.

3.2. Defectos cristalinos La cristalización nunca es perfecta. Como en cualquier proceso natural se producen imperfecciones en el crecimiento. Estas imperfecciones reciben el nombre de defectos cristalinos. Son las responsables de variaciones en el color o la forma de los cristales. Los defectos cristalinos se denominan:

* Vacancias: Se producen por la ausencia en la red de un elemento. Las vacancias, al igual que otros defectos, pueden desplazarse libremente a lo largo de la red. * Átomos intersticiales: Inclusión en la red de un átomo fuera de las posiciones reticulares. Con frecuencia este defecto se presenta unido a una vacancia, pues la formación de una vacante favorece la aparición de un átomo intersticial. * Sustituciones: Entrada en la red de un átomo diferente, pero de similar radio iónico que el que la compone. Pueden dar lugar a la aparición de series isomorfas (cuando pueden darse todas las sustituciones posibles, sin alterar la estructura de la red). * Dislocaciones: Aparición de nuevas filas de elementos cuando en el plano anterior no existían. Una dislocación de este tipo son las dislocaciones helicoidales, que permiten un crecimiento rápido de una cara, pues esta nunca se acaba.

4. APLICACIONES DE LOS CRISTALES.

Aunque el desarrollo de la cristalografía tuvo lugar como necesidad de descripción del mundo natural, sus conocimientos vienen siendo aplicados en diversas tecnologías al margen de los usos tradicionales de los cristales minerales. Desde tiempos remotos, el dominio experimental en la técnica de cristalización de metales o cerámicas ha sido motivo de espionaje, intrigas, e incluso guerras. La cristalografía ha añadido comprensión a una serie de técnicas en que en principio eran solo intuitivas y casuales: tanto la estructura cristalina como el modo de cristalización (rápida, lenta, muchos núcleos, pequeños cristales, pocos núcleos, muchos cristales) afectan decisivamente en las cualidades finales de una sustancia. Hoy día podemos encontrar muchos ejemplos de sus actuales aplicaciones: Biología molecular y bioquímica: Los trabajos en síntesis de moléculas orgánicas, y la relación entre la estructura tridimensional de la sustancia y su función, han adentrado al mundo de la cristalografía en la biología molecular, con las debidas particularidades. En las sustancias inorgánicas todos los elementos se encuentran fuertemente enlazados. Sin embargo, en los materiales orgánicos se distinguen claramente unidades aisladas (moléculas), formadas por átomos unidos entre sí, cuya unión, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.

En las proteínas también existen unidades moleculares como en los demás materiales orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son similares, pero su ordenamiento en los cristales deja muchos huecos que pueden rellenarse de agua y de ahí su extrema inestabilidad.

Paneles fotovoltaicos: Un panel fotovoltaico consta de un cristal de sílice que, al ser estimulado por un fotón, es capaz de desprender electrones (efecto fotoeléctrico) que son recogidos por un material conductor. La fabricación de paneles fotovoltaicos tiene la necesidad de obtención de cristales planos, a un bajo coste.

Cristales líquidos: Los cristales líquidos constan de un fluido compuesto por moléculas alargadas que tienen la propiedad de ordenarse como un cristal ante la polarización eléctrica del medio. Al ordenarse cambian sus propiedades ópticas (color, opacidad, etc). Se han utilizado intensamente en las pantallas de pequeños aparatos electrónicos (calculadoras, relojes) y actualmente se están introduciendo en el mercado de los monitores (pantalla plana). Cristales artificiales. La necesidad de cristales abrasivos en la industria y el alto coste de los naturales (por ejemplo, los diamantes industriales) han posibilitado la aparición de artificiales. Estos cristales no alcanzan los resultados de los naturales, pero su menor coste rentabiliza su obtención y uso. Estas técnicas también se han adentrado en el mundo de la joyería, obteniéndose gran variedad de piedras preciosas artificiales con colores escasos en las naturales.

Informática: Un chip consta de distintas capas de materiales crecidos durante el proceso de fabricación: metal, óxido y semiconductor cristalino (sílice) que, al recibir un impulso eléctrico, puede transmitirlo o no a un material conductor. Las técnicas de cristalización han permitido reducirlos a tamaños tan insospechados que la limitación consiste en conseguir reducir al mismo tamaño sus conexiones.

5. LOS AMBIENTES PETROGENÉTICOS. Los minerales son sustancias naturales, de composición química definida dentro de unos límites y que presentan estado cristalino. Las rocas son agregados naturales de uno o más minerales. Los ambientes petrogénéticos (ambientes que dan lugar a la formación de rocas) se clasifican en tres grandes grupos:

Ambiente Magmático: determinado por la existencia de material fundido (magma) en el interior de la tierra. La aparición de minerales y de las rocas que forman, viene dada por un proceso de solidificación del magma al llegar a zonas de menor temperatura, originando las rocas magmáticas.

Ambiente Metamórfico: determinado por el cambio de condiciones (presión temperatura o composición) en el que tuvo lugar la génesis de una roca preexsitente. Este cambio de condiciones favorece la recristalización de minerales, o la neoformación (cristalización de otros nuevos), en un proceso denominado metamorfismo. Así, a partir de una roca original obtenemos una roca metamórfica. En casos extremos se puede producir la fusión o anatexia de las rocas originándose un magma. Ambiente Sedimentario: La actuación de los agentes geológicos externos tiene como consecuencia la aparición de gran cantidad de sedimentos, ya sea por deposición (rocas detríticas por ejemplo) o por precipitación de sales disueltas en el agua. También intervienen los seres vivos, bien como organismos capaces de precipitar sales en sus estructuras y que pueden acumularse tras su muerte (arrecifes de coral, sílex, fosfatos, etc.), o bien por acumulación de sus restos orgánicos. Los sedimentos, con el enterramiento, sufren un proceso de diagénesis que culmina con la formación de las rocas sedimentarias. Las rocas están continuamente transformándose de unos tipos en otros. Estas transformaciones quedan recogidas en el ciclo de las rocas.

GRANO CRISTALINO

El grano cristalino hace referencia a la estructura cristalina de los materiales y por tanto a un nivel microscópico. Los cristales se forman como consecuencia del proceso de enfriamiento de la masa líquida de los metales. Este proceso se puede dividir en dos etapas: una primera etapa sería la de nucleación y la segunda, la etapa de cristalización o de crecimiento. La primera etapa comienza con la aparición de un primer germen o núcleo que actúa como creador del cristal durante el proceso de cristalización. Es necesario que presente un número determinado de átomos (25-100), la cifra varía en función de la temperatura ya que a altas temperaturas se necesitan más átomos para consolidar el núcleo, al cual se van añadiendo nuevos átomos y así se produce el crecimiento progresivo. Hay gérmenes que se redisuelven, otros pueden ir a la superficie o al fondo dependiendo de la densidad y otros permanecen estables pero se puede decir que existe equilibrio dinámico en relación a los gérmenes que existen en la masa líquida. El número de núcleos por unidad de tiempo y unidad de volumen es lo que se conoce como velocidad de nucleación. Cada núcleo suele tener una orientación de crecimiento aleatoria salvo que las causas de provocación del germen incidan en una dirección preferente de crecimiento como puede ser la existencia de un gradiente térmico. Se puede hablar de dos tipos de

nucleación: la homogénea y la heterogénea. La primera se produce cuando todos los gérmenes que se forman lo hacen a partir de los átomos del material en estado líquido. En la heterogénea la formación de gérmenes se ve favorecida por la presencia de átomos extraños, normalmente añadidos intencionadamente actuando sobre la velocidad de nucleación y seleccionando un tamaño de grano determinado. El tipo de nucleación condiciona la facilidad de la nucleación y su consolidación. En la homogénea para consolidar los núcleos es necesario someterlo a un subenfriamiento que consiste en enfriar de manera rápida por debajo de la temperatura de solidificación del material para consolidar los núcleos. En el caso de la heterogénea también se dá el subenfriamiento pero el grado del mismo es menor que el caso anterior. En la segunda etapa, la de cristalización, al ir disminuyéndose progresivamente la temperatura la cristalización avanza paulatinamente aumentando el tamaño de grano, más aumentará el tamaño cuanto más lento sea este enfriamiento. Esta etapa viene caracterizada por la velocidad de crecimiento que representa el aumento de peso del cristal por unidad de tiempo. Mientras exista fase líquida pueden producirse fenómenos de desplazamiento de los cristales es decir, si los cristales son menos densos que la fase líquida flotarán y habrá mayor número de ellos en la superficie mientras que si la densidad de los cristales es mayor que la de la fase líquida los cristales se hundirán y habrá por tanto mayor número de ellos en el fondo. En cuanto al crecimiento de los cristales pueden darse situaciones límite: -

Todos los gérmenes se desarrollan creciendo de forma idéntica en las tres direcciones del espacio, tendiendo a presentar una forma regular, acoplándose perfectamente. Se dice que la forma perfecta de un cristal sería un volumen que diese lugar a un crecimiento por igual en las tres direcciones del espacio, originándose un cristal con forma de octaedro de vértices truncados, esta forma sería capaz de llenar todo el espacio.

-

Los cristales tienen una única dirección de crecimiento, el cristal se desarrolla de forma acicular.

Pero lo que realmente suele suceder es que los cristales no crecen por igual en las tres direcciones del espacio, tienen una dirección predilecta que no tiene porqué coincidir con la de otros cristales, dando lugar a una estructura que se conoce como dentrítica. Esta estructura se caracteriza porque las zonas de unión de los cristales tienen formas muy variopintas. Esto es debido a que los cristales están orientados al azar siendo muy difícil que compactaran para llenar el volumen. El crecimiento termina cuando se interceptan los cristales. A esos cristales limitados por la junta o borde de grano se les llama granos (dos dimensiones), mientras que la definición de cristal hace referencia a las tres dimensiones aunque ambos vienen a expresar lo mismo. La junta o borde de grano que hace referencia a la existencia de interfaz de separación entre dos cristales puede ocupar un espacio de 2 o 3 distancias interatómicas. La teoría que más se acerca a la realidad sobre lo que sucede en el borde de grano es la amorfa que dice que en ella tienen lugar todo tipo de defectos (vacantes, dislocaciones, etc.).

Una vez finalizado el proceso de solidificación vamos a tener un tamaño de grano que dependerá de los valores de la velocidad de nucleación. Si la velocidad de nucleación es baja tendremos pocos núcleos por lo que obtendremos una estructura granular basta (grano grande), mientras que si es elevada tendremos muchos núcleos que darán lugar a una estructura granular fina (grano pequeño). Si la velocidad de crecimiento es elevada tendremos una estructura granular basta, si es baja tendremos una estructura granular fina. El tamaño de grano es un factor de calidad del material, dada su influencia en el comportamiento mecánico del material. Cuando reducimos el tamaño de grano aumenta el número de granos por unidad de superficie lo que se traduce en un mayor número de juntas de grano, lo que hace que cuantos más defectos superficiales por unidad de superficie haya mayor impedimento tendrán las dislocaciones para deslizarse con lo que tendremos una menor capacidad de deformación plástica. La estructura cristalina de un material puede ser modificada tanto mecánicamente como térmicamente. De forma mecánica por ejemplo mediante la laminación, realizando la operación en frío a una temperatura inferior a la de recristalización, evitando así que el grano vuelva a su forma anterior y dotando al material de un estado de acritud. El método térmico consiste en calentar la pieza por encima de la temperatura de recristalización, esta temperatura no puede ser cualquiera y debe de estar seleccionada. Con la temperatura se tiende a aumentar el tamaño de grano. Este proceso se debe de controlarse para el uso ya que tampoco es beneficioso un tamaño de grano excesivo. El tamaño de grano de un material puede ser medido una vez se termina la solidificación. Existen tres métodos básicos: comparación, interceptación y método planimétrico. El primero consiste en observar la muestra del material mediante el microscopio o empleando fotomicrografía, se compara la muestra con una serie de patrones previamente establecidos por la norma ASTM a cada uno de los cuales se le asigna un número determinado que es lo que se llama índice de tamaño de grano. La norma también fija el número de aumentos a los que hay que observar la muestra. El método de interceptación consiste en trazar tres líneas (rectas o curvas) en una micrografía y determinar el número de interceptaciones de dicha línea con los bordes de grano, calculando el número de interceptaciones de grano por unidad de longitud se determina el número de granos. Si un grano no se intercepta enteramente se contabilizará como medio grano. Por último el método planimétrico consiste en trazar una superficie sobre la micrografía y contabilizar el número de granos que quedan en el interior de la figura, aquellos granos que no estén totalmente incluidos contabilizarán como medio grano. Así obtenemos el número de granos por unidad de área. Tipos de sólidos: Cristalinos: poseen orden tridimensional Amorfos: no poseen orden definido

Sólidos cristalinos: poseen una estructura ordenada de las partículas que los constituyen, con una forma externa limitada por superficies planas simétricamente dispuestas que son consecuencia del orden interno. Son anisotropías. Poseen un punto de fusión definido. E: sales (cloruro de sodio, sulfatos, carbonatos), óxidos, metales, etc. Sólidos amorfos: tienen muchas de las propiedades mecánicas características de los sólidos pero carecen del orden tridimensional regular de los sólidos cristalinos. Muchas de sus propiedades son isotrópicas como la de los líquidos. No poseen un punto de fusión definido. E: caucho, vidrio, polímeros. Clasificación de los sólidos en base a las fuerzas de interacción de sus constituyentes

Edificios mixtos En muchos casos una sustancia presenta una combinación de varios tipos redes cristalinas, a menudo orientadas en planos o siguiendo un eje de simetría. tales casos, la distribución de redes y el predominio de una determinará muchas propiedades de la sustancia, la dureza o la conductividad eléctrica.

misma de

En las u otra como

Un ejemplo típico de red mixta es el grafito, formado por átomos de carbono con enlace covalente muy fuerte distribuido en capas paralelas. Las conexiones entre las capas, sin embargo, son muy débiles, lo que permite separar láminas muy finas de este mineral con mucha facilidad.

Edificios moleculares En este caso, la red está formada por moléculas con carga neutra. La cohesión, muy débil, se basa en cargas eléctricas residuales de baja intensidad. Es característica de los compuestos orgánicos, aunque también existe en sustancias como el azufre.

Edificios metálicos Los cuerpos metálicos presentan un tipo de enlace de gran cohesión debido a que varios átomos comparten una nube de electrones que circulan de una órbita a otra sin pertenecer a un núcleo

concreto. Esta propiedad, característica de elementos poco electronegativos, proporciona a los metales sus propiedades de dureza, tenacidad y gran conductividad electro térmica.

Edificios covalentes En los cristales formados únicamente por enlaces covalentes, un átomo se enlaza con sus vecinos, y estos con los suyos, y así sucesivamente, de tal manera que todo el cristal puede ser considerado como una molécula casi infinita. Este enlace tiene lugar entre átomos de elevada y similar electronegatividad. Si la diferencia de electronegatividades entre los átomos crece, el enlace llega a ser polar, y por tanto se puede imaginar una variación continúa de polarización del enlace entre los enlaces covalentes “puros” y los enlaces iónicos. Esto quiere decir que un enlace covalente no polar solo puede tener lugar entre átomos de la misma naturaleza.

Edificios iónicos Son los cristales constituidos por un conjunto de iones de signo contrario unidos por fuerzas de carácter mayoritariamente electrostático, y en los cuales todo el cristal podría ser considerado como una molécula porqué los iones estén enlazados con sus vecinos, y estos con los otros y así sucesivamente. Los iones tienden a empaquetarse de manera que se minimice le energía, y esto se cumple cuando: 

a) las cargas de los iones son neutralizadas por los vecinos sin mediatos, es decir que los vecinos de los cationes son aniones y viceversa.



b) los empaquetados tienden a ser lo más compactos posible, sin que la distancia entre dos iones sea menor que la suma de los respectivos radios iónicos, de manera que si consideramos los iones esféricos, serian tangentes los unos a los otros

Las partículas que constituyen el sólido pueden ser moléculas, átomos o iones, dependiendo de la naturaleza de estas partículas variará la intensidad de las fuerzas intermoleculares que las mantienen unidas en la estructura cristalina del sólido y, por tanto, cambiarán las propiedades del sólido:

Si las partículas son átomos, se trata de un sólido atómico, los átomos están unidos por enlaces covalentes que son muy fuertes pero muy dirigidos (los átomos tienen que estar en una posición fija, si el átomo cambia un poco de lugar, el enlace se rompe). Por eso son sólidos muy duros, pero frágiles, con puntos de fusión y ebullición muy elevados. El diamante es un sólido de este tipo. Si las partículas son moléculas, se trata de un sólido molecular, las moléculas se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, que son muy débiles y poco dirigidas, por lo que los sólidos moleculares son blandos y tienen puntos de fusión y ebullición bajos. El azúcar es un sólido molecular típico. Si las partículas son iones se pueden originar dos tipos de sólidos: sólidos iónicos o sólidos metálicos. Los sólidos metálicos están formados por iones positivos rodeados de electrones, esto hace que sean buenos conductores de la electricidad, así como duros y tenaces, con altos puntos de fusión y ebullición. El cobre o el oro son sólidos metálicos. Los sólidos iónicos están formados por iones positivos y negativos alternos, que se atraen por tener cargas opuestas. Como la atracción eléctrica es fuerte, los sólidos son duros, pero frágiles y no conducen la electricidad. La sal es un típico sólido iónico.

EL ENLACE QUÍMICO

ENLACE QUÍMICO y ENERGÍA

El número máximo de electrones que puede poseer un átomo en su nivel energético más externo es ocho. Esta configuración sólo la poseen los gases nobles ; estos elementos se caracterizan por una elevada estabilidad química. Todos los cuerpos en la naturaleza tienden a conseguir un estado de máxima estabilidad, que su energía sea mínima En 1916 Lewis propuso la regla del octeto según la cual el enlace químico es un proceso en el que los átomos ganan, pierden o comparten electrones de las capas más externas hasta conseguir la configuración de un gas noble (ocho electrones en el nivel más externo). No

siempre es posible conseguir esta estructura, a veces con el enlace químico se consigue un semillenado o un llenado de orbitales. Cuando dos átomos se aproximan sus cortezas electrónicas comienzan a influirse mutuamente. Si esta influencia conlleva que la energía del sistema compuesto por los dos átomos unidos sea menor que la que tienen por separado, se producirá el enlace químico. Siempre que entre dos o más átomos existan fuerzas que conduzcan la formación de una agrupación estable, entre esos átomos hay un enlace. Las fuerzas de atracción del enlace van aproximando a los átomos hasta una determinada distancia a partir de la cual empiezan a actuar fuerzas de repulsión de los núcleos entre sí y de las cortezas entre sí. A esta distancia de equilibrio le corresponde una energía potencial mínima y se denomina longitud de enlace.

ENLACE IÓNICO

Cuando se enfrentan elementos de electronegatividades muy diferentes, se produce una cesión de electrones del elemento menos electronegativo al más electronegativo, formándose los respectivos iones positivo y negativo. Entre estos iones, que son de signo contrario, aparecerán fueras de atracción, lo que dará origen a la formación de un compuesto. El enlace iónico es, por lo tanto, la unión de iones de signo contrario mediante fuerzas electrostáticas. Los iones no forman moléculas aisladas, sino que se agrupan en redes cristalinas : un ión se rodea del máximo número posible de iones de signo opuesto. El tipo de red que se forme dependerá del tamaño relativo de los iones positivos y negativos (por ejemplo el NaCI tiene, para cada tipo de iones, tiene una estructura cúbica centrada en las caras). El número de iones de un signo que envuelven a otro de signo contrario se denomina índice de coordinación. Se denomina valencia iónica de un elemento al número de electrones ganados o perdidos al formar un compuesto iónico.

ENERGÍA RETICULAR. CICLO DE BORN-HABER Energía reticular (o de red); es la energía que se desprende cuando se condensa el número necesario de iones positivos y negativos en un cristal iónico para formar un mol de compuesto (también se define como la energía necesaria para separar totalmente los iones de un mol de cristal iónico) Esta energía es una medida de la estabilidad de los compuestos iónicos. Si no fuera elevada esta energía, la formación de los compuestos iónicos seria energéticamente desfavorable. La energía reticular para un par de iones es: E red   N A . A.

Z 1 .Z 2  1 .e. 1   r0 n 

A: constante de Madelung, cuyo valor depende del tipo de red cristalina ; cargas de los iones

Z 1 y Z 2:

ro: distancia interiónica de equilibrio n: exponente de Born, oscila entre 5 y 11 e: carga del electrón

NA: Número de Avogadro

Mirando la expresión anterior se observa que la energía reticular aumenta al disminuir el radio de los iones y al aumentar la carga de los mismos

El ciclo de Born-Haber es un planteamiento teórico basado en la hipótesis de que la formación de compuesto iónico puede tener lugar por dos caminos diferentes: a) Por combinación directa de los elementos; la energía desprendida seria la energía de formación ( Ef ) b) Por un proceso en etapas. que implica: - Sublimación del metal : se ha de absorber una energía llamada energía de sublimación ( Es ) al pasar de solido a gas. - Disociación de las moléculas del no metal, supuestas diatómicas : se absorberá la energía de disociación ( Ed )

- Ionización de los átomos metálicos gaseosos : se absorberá la energía de ionización ( Ei ) - Ionización de los átomos no metálicos gaseosos : se desprenderá energía, la afinidad electrónica del no metal ( Ae ) - Aproximación de los iones gaseosos para formar el cristal iónico correspondiente : se desprende la energía reticular (Er ) Aplicando la ley de Hess, la energía deber ser igual por los dos caminos: Ef = Es + ½ Ed + Ei + Ae + Er Se consideran negativas las energías desprendidas. Despejando Er en dicha igualdad se obtiene la energía de red.

Este ciclo se suele utilizar para calcular valores de afinidades electrónicas una vez conocida la energía de red por la fórmula teórica.

CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS IÓNICOS a) No forman moléculas sino redes cristalinas cuyo ernpaquetamiento depende del tamaño relativo entre los iones y de sus cargas b) Debido a la fuerte atracción eléctrica entre sus iones tienen elevadas temperaturas de fusión y ebullición. Hace falta mucha energía para separar los iones y destruir la red cristalina. c) Por la misma intensidad de atracción iónica son duros. Pero a la vez son frágiles y poco flexibles, porque un pequeño desplazamiento de su estructura enfrenta iones del mismo signo que se repelen. d) Poseen coeficientes de dilatación pequeños, es decir, ofrecen resistencia a la dilatación ; para dilatar un cuerpo es necesario disminuir las fuerzas de atracción entre las partículas que lo componen. e) En general, se disuelven bien en disolventes polares como el agua. La energía necesaria para la rotura de la red viene suministrada por la energía desprendida en el proceso de solvatación. Los iones de la superficie del cristal atraen a las moléculas del disolvente, las cuales separan y rodean a los iones del cristal (se dice que los iones se encuentran solvatados). En disolventes apolares, como el benceno, o no se disuelven o se disuelven mal

f) En estado sólido no conducen la electricidad porque los iones están en posiciones fijas. Si se funden o se disuelven sus iones adquieren movilidad y se vuelven conductores ( conductores de segunda especie) En resumen, a menor tamaño de los iones y mayores cargas, mayor es la energía de red, más estable es el compuesto y mayor temperatura de fusión, mayor dureza, mayor resistencia a la dilatación, más insoluble.

EL ENLACE COVALENTE

TEORÍA DE LEWIS. TIPOS DE ENLACES

Para explicar la existencia de moléculas como F 2 , NH3 formadas por elementos con la misma electronegatividad o electronegatividades próximas, Lewis propone la existencia del enlace covalente.

El enlace covalente consiste en la unión de átomos mediante la compartición de pares de electrones para adquirir una configuración electrónica estable, formando moléculas. . En los diagrama de Lewis los electrones de valencia se simbolizan por puntos. En ocasiones, para adquirir la estructura de gas noble, los pizcas han de compartir dos o tres pares de electrones F– F

H – Cl

O =O

O=C=0

NN

H–CN

A veces el par de electrones del enlace es suministrado por uno sólo de los átomos implicados en el enlace (enlace covalente dativo o coordinado)

La teoría de Lewis del enlace covalente no da explicación a: 1) que existan moléculas como BF 3 en las que el átomo central no cumple la regla del octeto 2) la geometría de las moléculas ¿por qué la de agua es angular y no lineal, la de amoníaco piramidal y no plana...?

Sin embargo, las estructuras geométricas pueden determinarse con mucha aproximación mediante el método de repulsión de pares de electrones del nivel de valencia (RPENV) Se cuentan los pares de electrones enlazantes ( los enlaces dobles y triples se cuentan como simples) y los libres del átomo central en la estructura de Lewis, resultando la Tabla:

Pares Pare Enlazant s es Libre s 2

-

Ejemplo

BeCl2 – Cl

Tipo Hibridaci ón

Cl – Be

Geometría

sp

Lineal

sp2

Plana trigonal

sp3

Tetraedrica

BF3 3

-

CH4 4

-

5

-

PCl5

Bipiramidal triangular

SF6 6

-

Octaedrica

SO2 2

1

sp2

Plana Angular

sp3

Angular

H2O 2

2

NH3 3

1

sp3

Piramidal triangular

Para los Iones poliatómicos, la determinación de su geometría es similar a la de las moléculas covalentes. Ejemplos:

TEORÍA DEL ENLACE DE VALENClA Esta teoría supone que el enlace covalente se forma cuando dos o más átomos aislados se aproximan y se superponen sus orbitales atómicos en cada uno de los cuales ha de

haber un solo electrón. Estos electrones deberán tener spines antiparalelos, ya que después del enlace pertenecen al mismo orbital molecular. En el caso de que el enlace sea coordinado, el átomo aceptor ha de poseer un orbital desocupado que pueda contener los dos electrones aportados por el átomo dador, Según este criterio los electrones ya apareados no pueden formar enlaces covalentes excepto si se trata de un enlace coordinado). En ocasiones se produce un desapareamiento de electrones ; la energía necesaria para ello es compensada por la energía desprendida posteriormente en el enlace. Se denomina covalencia de un átomo al número de electrones sin aparear que posea o pueda poseer.

Tipos de superposición entre los orbitales:

o

a) Si la superposición es frontal se produce un enlace “sigma“ ( ) (ya sean dos orbitales s uno s y otro p)

b) Si la superposición es lateral se produce un enlace “pi” ( ) (esto ocurre después de un orbital sigma y se enfrentan dos orbitales p de manera lateral)

Cuanto mayor sea la superposición de los orbitales atómicos más fuerte será el enlace covalente. La superposición “” es mayor que la superoposición “” Cuando hay un doble enlace uno es “” y otro es “” . Por ejemplo el oxígeno, en el que se superponen dos orbitales p, uno frontalmente y otro lateralmente:

Cuando hay un triple enlace uno es “” y dos son “” Por ejemplo el nitrógeno, en el que se superponen tres orbitales p, uno frontalmente y dos lateralmente:

HIBRIDACIÓN DE ORBlTALES ATÓMICOS. TIPOS Y GEOMETRÍA Se denominan orbitales híbridos aquellos que resultan de la mezcla de dos o más orbitales atómicos. Se utilizan para explicar cómo en algunas moléculas se forman enlaces idénticos a partir de orbitales distintos. 1.- ORBITALES HÍBRIDOS sp o lineales Resultan de la combinación de un orbital s con un orbital p. Se forman dos híbridos sp. Su forma es la de un orbital p que ha perdido prácticamente un lóbulo. Están situados en línea recta y con sentidos opuestos formando un ángulo de 180°. Ejemplo el fluoruro de berilio. 2.- ORBITALES HÍBRIDOS sp2 o trigonales Se forman por la combinación de un orbital s con dos orbitales p. Resultan tres híbridos Tienen una disposición plana y forman ángulos de 120°. Ejemplo el hidruro de boro.

sp 2.

3.- OBRITALES HÍBRIDOS sp3 o tetraédricos Se forman por la combinación de un orbital s y tres orbitales p. Resultan cuatro híbridos sp 3, orientados según vértices de un tetraedro, o sea, formando ángulos de 109.5°. Ejemplo el metano.

HIBRIDACIONES

DEL

CARBONO

Etino (acetileno): hibridación sp 1 Eteno:

hibridación sp

Etano:

hibridación

2

sp3

HIBRIDACIÓN DEL NITRÓGENO EN LA MOLÉCULA DE AMONIACO Los orbitales híbridos también pueden alojar pares de electrones no compartidos (solitarios), los cuales ejercen unas fuerzas de repulsión sobre los pares de los enlaces y hacen que se distorsione la molécula variando los ángulos de enlace. Sin utilizar la hibridación también se podrían explicar los tres enlaces de la molécula de amoniaco, pero no su geometría, ya que resultarían enlaces con ángulos de 90°. Experimentalmente el ángulo es de 107°. Se hibrida el orbital 2s con los tres orbitales 2p y se forman los cuatro híbridos sp3. Uno de ellos tendrá dos electrones apareados, los otros formarán enlaces N-H

El ángulo no es exactamente de 109,5° por la distorsión que produce el par de electrones sin enlazar. Su estructura es de pirámide trigonal lo que hace a la molécula polar.

HIBRIDACIÓN DEL OXÍGENO En la molécula de agua, al igual que en la del amoníaco, sin hibridación se podrían explicar los enlaces O-H, pero entre ellos habría un ángulo de 90° y el ángulo observado es de 104,5°. Se acepta una hibridación sp 3 . Se hibrida el orbital 2s con los tres orbitales 2p y se forman los cuatro híbridos sp3. Dos de ellos se quedan con pares electrónicos apareados, los otros dos forman los enlaces O-H. La repulsión entre estos pares no compartidos hace que el ángulo sea menor que el previsto. Es una molécula angular y por lo tanto polar. Si el oxígeno está unido mediante enlaces simples posee esta hibridación. Si lleva un doble enlace hay una hibridación sp 2. En dos híbridos están los dos pares de electrones solitarios y el tercero forma el enlace  del doble enlace. El orbital p sin hibridar sufrirá una superposición  para formar el doble enlace.

POLARIDAD DE LOS ENLACES

En una molécula diatómica homonuclear, ambos átomos tienen la misma electronegatividad y por lo tanto la distribución de cargas es simétrica. Se dice que es un enlace covalente puro, no polarizado. La molécula es apolar. Lo mismo ocurre con moléculas poliatómicas si los átomos son idénticos y tienen el mismo entorno ( H3C-CH3 ) Si los átomos que forman el enlace son distintos, la distribución de cargas no será simétrica. El átomo más electronegativo atraerá más a los electrones del enlace y se origina un dipolo. Estos enlaces se denominan covalentes polares. En moléculas poliatómicas también se polarizan los enlaces entre átomos iguales si tienen entornas diferentes ( CH 3-CH2OH ) El carácter polar de un enlaces se mide por el momento dipolar La separación de cargas es mayor cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividades entre los átomos y más polar será el enlace: 



H  Cl

Así, por ejemplo, para

H – Cl

el cloro es mucho más electronegativo

(3,00) que el hidrógeno (2,10) , la molécula es Polar y se representa de la forma

Con una diferencia del electronegatividades entre los átomos de 1,7 se considera que el enlace contienen un 50% de carácter iónico.

Si la molécula está formada por tres o más átomos, su polaridad depende de los enlaces y de su geometría. Los enlaces pueden ser polares, pero la suma de los momentos dipolares puede ser un vector nulo y la molécula no será polar, como ocurre en el CO 2 Sin embargo el agua que no es una molécula lineal sí es polar, al igual que el amoniaco.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS CON ENLACES COVALENTES Las sustancias covalentes, al contrario que las iónicas, no tienen propiedades homogéneas. Para estudiar sus propiedades podemos dividirlas en dos grupos : A) Sustancias covalentes moleculares: formadas por moléculas que pueden existir como unidades aisladas.

La unión entre unas moléculas y otras no suele ser muy intensa por lo que generalmente son gases o líquidos (H2 N2, NH3, CH4 , H2O, Br2, CH3OH). Existen algunos sólidos pero con puntos de fusión bajos (I2 , C6H12O6). La solubilidad depende de la polaridad de la molécula. Las sustancias polares (HCl) son solubles en disolventes polares (H2O) y las no polares ( I2 ) son solubles en disolventes apolares (C6H6, CCI4), siguiendo la norma de que se disuelven bien entre sí aquellas sustancias cuyas fuerzas intermoleculares son similares. No son conductoras de la electricidad pues no hay iones libres. Pero las moléculas polares reaccionan en disolución y se vuelven conductoras ya que se producen iones

B) Sólidos atómicos: están constituidos por grandes cantidades de átomos unidos entre sí por enlaces covalentes dando lugar a una red tridimensional. Es el caso del diamante (C, sp3 ) sílice (SiO 2 ), silicio o germanio. Los enlaces que mantienen unidos a los átomos son muy fuertes lo que proporciona a estas sustancias una gran dureza. puntos de fusión muy elevados, mala conductividad, fragilidad y ser prácticamente insolubles.

FUERZAS INTERMOLECULARES FUERZAS DE VAN DER WAALS Son las fuerzas atractivas que unen entre sí a las moléculas neutras tanto las polares como las apolares. - Fuerzas Dipolo – Dipolo : La unión entre moléculas polares se puede entender como la atracción electrostática entre los dipolos que existen en ellas. Ejemplo H Cl en estado líquido y sólido - Fuerzas Dipolo – Dipolo inducido : Las moléculas polares inducen a a las neutras a un desplazamiento de sus cargas generando un dipolo inducido; la atracción entre estos dipolos es la fuerza de atracción que les une. Ejemplo: H F (molécula polar) con Argon (neutra) - Fuerza de dispersión : Se produce entre moléculas apolares, en las que se producen dipolos instantáneos e inducidos. Ejemplos: O2 N2 H2 He ... en estado líquido o sólido

Es un enlace muy débil comparado con el iónico o el covalente. Estas fuerzas aumentan con la masa molecular, ya que los niveles externos de las moléculas son más deformables cuanto más alejados se encuentren del núcleo

ENLACE DE HIDRÓGENO

(También llamado enlace por puente de hidrógeno).

Cuando el átomo de hidrógeno está unido a un átomo mucho más electronegativo que él (F, O, N) el par de electrones del enlace está muy atraído por el átomo más electronegativo y el enlace está polarizado. Existirá una carga parcial positiva en el hidrógeno y una carga parcial negativa en el otro átomo. Se establece una atracción electrostática entre el hidrógeno y el otro átomo de otra molécula. Moléculas que se unan entre sí por enlaces de este tipo son: aminas...

amoniaco, agua , alcoholes,

El enlace de hidrógeno es débil, pero cuando existe hay que suministrar una energía para romperle. Esto hace que las sustancias que los poseen tengan puntos de fusión y ebullición anormalmente altos. Existen puentes de hidrógeno intramoleculares si la molécula tiene los grupos adecuados, como ocurre en los ácidos nucleicos. Los enlaces de hidrógeno hacen que estas moléculas adopten forma helicoidal.

EL ENLACE METALICO Los metales son cerca del 80% de los elementos conocidos. Sus propiedades no se pueden explicar mediante un modelo iónico ni mediante un modelo covalente. El modelo de gas electrónico para explicar el enlace metálico considera a los metales formados por una aglomeración de iones positivos sumergida en un mar de electrones.

Los iones positivos surgen de que cada átomo pierde los electrones de valencia; estos. electrones no pertenecen a un átomo determinado, sino que todos ellos son comunes a la red metálica.

PROPIEDADES DE LOS METALES a) Son buenos conductores de la electricidad. Sus electrones móviles lo permiten. Al aumentar la temperatura la conductividad disminuye porque aumenta el movimiento de oscilación de los núcleos, lo que dificulta el desplazamiento de los electrones. b) Son buenos conductores del calor; el calor produce un aumento de la energía cinética de los electrones que, gracias a su movilidad, se transmite por todo el metal. . . . c) Tienen un brillo especial por su capacidad de absorber y después volver a emitir prácticamente en todas las longitudes de onda de la luz visible. d) Poseen en sus redes un número de coordinación alto, lo que hace que tengan, en general, una densidad elevada. e) Son fáciles de deformar (dúctiles y maleables) porque cualquier plano de átomos puede desplazarse respecto de los otros sin que varíen las fuerzas de unión entre ellos. i) Tienen puntos de fusión moderados o altos. En un grupo, al aumentar el tamaño la unión es más débil y la temperatura de fusión disminuirá, así como la dureza: Li ( 179ºC); Na (97,5ºC), K (63,5ºC), Rb (39ºC), Cs(28.4ºC) g) A diferencia de los metales aIcalinos y aIcalinotérreos, los metales de transición son duros y de elevado punto de fusión; ésto se debe en parte a su reducido tamaño y, sobre todo, a la existencia de enlaces covalentes entre los iones positivos (mediante electrones desapareados), además del enlace metálico

CUADRO COMPARATIVO DE PROPIEDADES

IONICA

MOLECULAR

ATOMICA

METALICA

Tipo y Fuerza Red Iónica de Enlace

Dureza

Duros Frégiles

Estado Físico

Sólidos

Van der Waals o Covalente Puente Hidrogeno Fuerte) (Relativamente Debiles)

y Muy Blandos

Muy Duros

(Muy Red Metálica

Variable

Gases líquidos y Sólidos sólidos

Sólidos general)

Punto de Altos Fusión y Ebullición

Bajos

A temperatura ambiente o superior

Solubilidad en Solubles Agua (en general)

Insolubles general)

(en Insolubles

Insolubles

Solubilidad en Insolubles disolv. organicos

Solubles general)

(en Insolubles

Insolubles

Conductivida d electrica

(fundidos o Malos disueltos) conductores

Ejemplos

NaCl MgO K2CO3 …

H2 H2O CCl4 ..

Muy Altos

Muy conductores

(en

malos Buenos conductores

CH4 Diamante Cuarzo Na Fe (SiO2) Ge … Hg …

Cu

Las sustancias están constituidas por agrupaciones de átomos. Unas veces, tales agrupaciones forman agregados neutros: las moléculas y otras resultan con carga: los iones. Sólo los gases nobles y algunos metales en estado vapor están constituidos por moléculas monoatómicas (es decir, por átomos sueltos). La unión entre átomos, iones o moléculas es lo que constituye en enlace químico. En el enlace químico juega un papel decisivo la configuración electrónica de la capa más externa de los átomos, la de mayor energía, llamada capa de valencia. De esa configuración depende, además, el tipo de enlace que se formará, por ello, y dada su importancia, se utilizan los diagramas de Lewis, en los que figura el símbolo del elemento rodeado de tantos puntos como electrones de valencia posea. Así por ejemplo, los diagramas de Lewis de los elementos del segundo periodo son:

En la tabla periódica, todos los átomos de un mismo grupo tiene propiedades similares porque todos tienen los mismos electrones de valencia, y un átomo usa algunos o todos los

electrones de valencia para combinarse con otros. Por otra parte, los gases nobles son muy estables ya que tienen una baja reactividad que se relaciona con su estructura electrónica; todos poseen los orbítales s y p de la última capa completos (a excepción del He). El hecho de que los orbítales de más alta energía de un átomo estén completamente llenos, les da una acusada estabilidad. Esto también se puede comprobar experimentalmente diciendo que tanto el P.I. como la A.E. de los gases nobles son muy altos, (no tienen tendencia ni a coger ni a ceder electrones). El resto de los átomos, tienden a ganar, perder o compartir electrones con la finalidad de adquirir configuración electrónica de gas noble y ganar así estabilidad. Por ello, los átomos se clasifican según esta tendencia en (además de los gases nobles antes descritos): 

Elementos que tienen pocos electrones en la última capa (1, 2 ó 3).



Tienen tendencia a perderlos para adquirir configuración electrónica de gas noble (tener la última capa completa).



Se cargarán positivamente denomina un catión.

Metales:

formando

lo

que

se



En general, se puede decir que cuando un átomo se combina con otro para formar un compuesto, lo hace de tal manera que con ello adquiere la configuración electrónica del gas noble más cercano, (ocho electrones en su última capa, regla del octeto) y eso se puede conseguir a través de una cesión, captación o compartición de e -. Esta es la razón por la que los gases nobles son tan inertes. Hay elementos que no cumplen la regla del octeto, por ejemplo, el H, Li y Be, el número de electrones al que tienden es de dos puesto que el He, (gas noble más cercano), sólo tiene dos. Existen tres tipos fundamentales de enlaces: iónico, covalente y metálico, y con ellos se pueden formar cuatro tipos de sustancias: las iónicas, las moleculares, las covalentes y las metálicas. Es importante comentar que para que un determinado enlace se forme, tiene que haber necesariamente un desprendimiento de energía, es decir, el compuesto o molécula formada

tiene que ser más estable que los átomos de los que se parte, pues de lo contrario no se formará el enlace. Las sustancias iónicas Características del enlace iónico El enlace iónico es debido a fuerzas de atracción electrostática y no direccional entre iones de signo opuesto producidos por transferencia de electrones entre átomos de elementos de elevada diferencia de electronegatividad. Como hemos indicado anteriormente, siempre que se forma un enlace, (del tipo que sea), se produce una liberación de energía, es decir, que el nivel de energía de los átomos unidos es menor que el de los átomos por separado. En el caso de los compuestos iónicos se tiene que formar una red cristalina para que se produzca esa liberación de energía como ahora veremos en un ejemplo. Vamos a analizar la formación de NaCl a partir de los átomos libres de Na y Cl en estado gaseoso: Na (g) + Cl2 (g)



Na+ (g) + Cl- (g)



( Na+Cl-)n (s)

El NaCl es un sólido en el que 6 iones Cl -- rodean a un ion Na+ y a su vez cada ion Cl- es rodeado por 6 iones Na+ formando una red tridimensional en la que la relación es 1:1, es decir, un ion sodio por cada ion cloro:

Para explicar este fenómeno vamos a utilizar la representación electrónica o diagrama de Lewis, según la cual, el símbolo de un átomo representa su núcleo y los electrones de las capas internas, y rodeando a éste se colocan puntos y/o aspas que representan los

electrones de la capa de valencia. Los puntos se colocarán por pares si los e - están apareados y aislados si no lo están. Na



Z=11

1s2 2s2

2p6

3s1

Cl



Z=17

1s2 2s2

2p6

3s2

3p5

el átomo de sodio tiene sólo un electrón en su última capa que "tenderá" a perder, quedándose cargado positivamente y, por el contrario, al cloro le falta un electrón para completar su capa, que lo captará del átomo de sodio, incorporándolo al orbital 3p, y así ambos tienen configuración electrónica de gas noble:

Na

 Na+ + 1e-

E = + 496 KJ/mol

Cl + 1e-

 Cl-

E = - 348 KJ/mol

Energía necesaria:

E = + 148 KJ/mol

Desde el punto de vista energético este proceso es desfavorable ya que hay que aportar 148 KJ/mol, (aporte de energía necesario para que los átomos se ionizaran en estado gaseoso). No obstante, la formación de la red cristalina libera gran cantidad de energía por la atracción electrostática que ahora sufren los iones. Imaginemos los iones Cl- y Na+ infinitamente separados en estado gas y que se van acercando para formar el enlace. En un principio se libera energía por la atracción de los iones, pero cuando éstos están muy cerca, empiezan a tener importancia las repulsiones entre los electrones y entre los núcleos de los iones, por lo tanto existe una distancia interiónica para la que la energía potencial electrostática pasa por un mínimo y, en consecuencia, se libera la máxima energía. Para los iones de Cloro y Sodio esta distancia es de 2'38 A°, (determinada por difracción de rayos X). Por lo tanto, la energía liberada al acercarse dos iones será:

Sin embargo la formación de la red cristalina libera una cantidad de energía mucho mayor debido a que un ion Cl- es atraído por más de un ion Na + y viceversa. En el caso de NaCl, la energía liberada al pasar de iones gaseosos a la red cristalina, (energía reticular), es de -790 KJ/mol (mayor que la calculada para dos iones aislados que era de – 580,4 KJ/mol). En definitiva, la energía necesaria para la ionización (que es de 148 KJ/mol), se ve compensada con la que se libera al formarse el cristal (-790 KJ/mol). Todos aquellos elementos cuya energía de ionización se vea compensada suficientemente por la energía reticular, tendrán tendencia a formar este tipo de enlace. Esto ocurre únicamente cuando se combinan elementos muy electronegativos, (anfígenos y halógenos), de alta afinidad electrónica con elementos poco electronegativos, (alcalinos, alcalinotérreos), de bajo potencial de ionización. Ahora bien, no existe un enlace iónico puro (del 100 %), lo que quiere decir, que no hay una transferencia total de electrones del metal al no metal, habiendo siempre una parte de compartición de éstos entre los dos átomos enlazados. Los sólidos iónicos pueden cristalizar en varios tipos de redes. El que lo haga en un tipo u otro de red depende fundamentalmente del tamaño de los iones que la forman y de la carga que posean. Aquí tienes otras estructuras cristalinas diferentes de compuestos iónicos:

El ciclo de Born-Haber El cambio energético producido en la formación de un sólido iónico a partir de los elementos que lo constituyen, puede calcularse a partir del llamado ciclo de Born – Haber. Vamos a seguir con el mismo ejemplo del apartado anterior, es decir, la formación del cloruro sódico (sólido) según la siguiente reacción: Na (s) + ½ Cl2 (g)



NaCl (s)

La reacción anterior tiene lugar en varios pasos: 1. El sodio metálico sólido, en primer lugar tendrá que separar sus átomos entre sí. Para ello habrá que aportar la energía de sublimación del Sodio: Na (s) + Esublimación

 Na (g)

Esublimación = 109 KJ/mol

2. Al sodio gas, habrá que arrancarle un electrón para transformarlo en un ion positivo. Para este proceso necesitaremos aportar la energía de ionización del Sodio: Na (g) + Eionización

 Na + (g) + 1 e-

Eionización = 496 KJ/mol

3. El Cloro, no metal, en primer lugar tendrá que romper su molécula ya que es diatómico. Para ello tendremos que aportar la mitad de su energía de disociación, ya que por cada molécula que se rompe obtenemos dos átomos de Cloro, por lo tanto sólo habrá que disociar medio mol de moléculas de Cloro para obtener 1 mol de átomos de Cloro. ½ Cl2 (g) + ½ Edisociación



Cl (g)

½ Edisociación = 122 KJ/mol

4. Posteriormente, tendremos que aportar un electrón a cada átomo de Cloro para transformarlo en un ion negativo. Para ello tendremos que aportar la energía de la afinidad electrónica. Dicha energía suele ser positiva (es decir, hay que aportarla), pero en el caso de algunos halógenos puede llegar a ser negativa (energía desprendida): Cl (g) + 1 e-



Cl - (g) + Eafinidad

Eafinidad = -348 KJ/mol

5. Vemos que la energía desprendida no supera a la suministrada; nos faltan 379 KJ/mol. ¿Cómo puede formarse, entonces, el compuesto iónico?. La respuesta está en la energía reticular, que como ya hemos definido antes es la energía desprendida al pasar de los iones en estado gaseoso a la formación de 1 mol de sólido cristalino. En efecto, los iones en estado gaseoso se atraen con perfecto orden en la red y así, es evidente que la energía potencial eléctrica se hace menor. Na + (g) + Cl - (g)

iónico:



NaCl (s) + Ereticular

Ereticular = -790 KJ/mol

La energía sobrante será la desprendida en la formación de 1 mol del compuesto ΔEf = Esublimación + Eionización + ½ Edisociación + Eafinidad + Ereticular =

= 109 + 496 + 122 – 348 – 790 = ΔEf = – 411 KJ/mol un esquema de todo el proceso:

Este sería el diagrama energético del proceso:

Propiedades de las sustancias iónicas No contienen átomos sino iones y puesto que las fuerzas electrostáticas son muy fuertes, tendrán puntos de fusión y de ebullición muy altos. En estado sólido no conducen la electricidad, ya que los iones tienen posiciones fijas y carecen de movilidad, pero, al fundirse o disolverse en agua, se desmorona la red cristalina quedando los iones en libertad, por lo que estos compuestos fundidos o disueltos conducen la electricidad.

Son sólidos muy duros porque las fuerzas electrostáticas que unen los iones son grandes, pero también son frágiles, ya que, al haber un ordenamiento tan perfecto en la red, pequeños desplazamientos de los iones hacen que las fuerzas que antes eran de atracción pasen a ser de repulsión, por lo que el sólido se rompe. En general, los sólidos iónicos son solubles en disolventes polares y no en apolares, ya que, las moléculas del disolvente se colocan alrededor de los iones (orientando sus dipolos de forma adecuada), y éstos se separan de la red cristalina. Podemos estudiar la variación de algunas de las propiedades que acabamos de comentar en base a las fuerzas electrostáticas y no direccionales que unen a los iones en la red cristalina. Dichas fuerzas vienen determinadas por la Ley de Coulomb:

por lo tanto, a medida que los iones estén más cargados, y sus radios sean más pequeños, las fuerzas electrostáticas que los unen serán más fuertes, por lo que, tendrán puntos de fusión y ebullición más altos, serán más duros, serán menos solubles, etc. Con los siguientes datos podrás apreciarlo con mayor facilidad: Cristal

Q1

Q2

r (Aº)

Punto de fusión

Dureza

Solubilidad (gr/l)

NaI

1

1

3’11

660

2’8

158’70

NaF

1

1

2’31

988

3’2

4’22

CaF2

2

1

2’35

1360

4’0

0’15

Al2O3

3

2

1’90

2030

9’0

0’00

El enlace covalente El enlace iónico se da entre átomos de electronegatividad muy diferente, en cambio, el enlace covalente se da entre elementos de alta electronegatividad muy parecida. En vez de una cesión de electrones, (como tiene lugar en el enlace iónico), se produce una compartición de pares de e - , que se concentran entre los núcleos enlazándolos. El número de pares de electrones compartidos será el necesario para que los dos átomos adquieran configuración electrónica de gas noble. El enlace covalente es más fuerte que el enlace iónico; y su formación también comporta una liberación de energía.

Clasificación de los enlaces covalentes. i) atendiendo al número de pares de electrones compartidos: a) enlace covalente simple: Cada átomo aporta un electrón al enlace, es decir, se comparte un par de electrones entre dos átomos. Un ejemplo es la molécula de Hidrógeno (H 2):

Al principio las fuerzas de atracción son superiores a las de repulsión por lo que al acercarse se libera energía, pero llega un momento en el que las repulsiones empiezan a tener importancia y cuesta cada vez más acercarlos. Es decir, que la curva pasa por un mínimo y la distancia a la que se produce es la distancia de enlace que para la molécula de H2 es de 0'74 Aº. La molécula de Hidrógeno presenta una energía menor a la de los átomos separados (que es una condición indispensable para que exista enlace). En este caso los dos átomos de Hidrógeno adquieren configuración electrónica de gas noble. Otro ejemplo de este tipo de enlace sería la molécula de cloro:

los dos átomos de cloro tienen 8 electrones a su alrededor y por lo tanto configuración electrónica de gas noble. b) enlace covalente doble: Cada átomo aporta dos electrones al enlace, es decir, se comparten dos pares de electrones entre dos átomos. Un ejemplo es la molécula de Oxígeno (O2):

c) enlace covalente triple: Cada átomo aporta tres electrones al enlace, es decir, se comparten tres pares de electrones entre dos átomos, por ejemplo, la molécula de Nitrógeno (N2).

Es conveniente señalar que a medida que se compartan más pares de electrones, la distancia entre los átomos unidos será menor y el enlace será más fuerte (hará falta más energía para romperlo). Esto se puede comprobar con los datos de la siguiente tabla: Molécula

Energía (Kcal/mol)

distancia (Aº)

F2

36

1,42

(F - F)

O2 (O = O)

118

1,21

N2 (N  N)

225

1,10

ii) atendiendo a cómo están compartidos los electrones: a) enlace covalente puro o apolar: Los dos átomos que comparten electrones son del mismo elemento o bien de elementos de la misma electronegatividad para que los electrones enlazantes se compartan por igual. Todos los ejemplos vistos hasta ahora son de este tipo. b) enlace covalente polar: En un enlace covalente entre dos átomos iguales, los electrones del enlace se hallan igualmente compartidos, y el caso del enlace iónico constituye el otro extremo en el que los e- se transfieren totalmente.

Cuando dos átomos no son iguales, surgen situaciones intermedias en las que los dos e - se encuentran compartidos entre los dos átomos pero no por igual. Por ejemplo, en la molécula de HCl el átomo de cloro es más electronegativo, lo que indica que tiene mayor tendencia a atraer la nube electrónica hacia sí que el hidrógeno, con lo que la molécula es eléctricamente asimétrica con más carga negativa concentrada en el átomo de Cl y una cierta carga positiva en el átomo de H; se crea un momento dipolar.

Algunos ejemplos de este tipo de enlaces son: - el cloruro de hidrógeno:

al ser el átomo de cloro más electronegativo, atraerá más hacia él los electrones del enlace

y se quedará cargado con una fracción de carga negativa. - el agua:

la diferencia de electronegatividad entre el O y el H explica su elevada polaridad y esto hace que pueda utilizar como disolvente. - el amoniaco:

la molécula de amoniaco posee tres enlaces simples polares.

Propiedades de las sustancias moleculares. A temperaturas bajas, todos estos compuestos se encuentran en estado sólido formando redes cristalinas muy débiles. La formación de estas redes se explica por las débiles fuerzas de Van der Waals que se originan por atracción electrostática entre dipolos, ya sean permanentes o inducidos. Los de las moléculas apolares son sólidos blandos (como por ejemplo los de yodo), mientras que los de las sustancias polares son algo más duros ya que las fuerzas que unen las moléculas son algo más grandes, por ejemplo en el hielo. En general tienen puntos de fusión y ebullición muy bajos, y van aumentando en función de la mayor polaridad de las moléculas o del mayor peso molecular, ya que, de esta manera, al ser más fácil crear el dipolo, las uniones serán más fuertes, por ejemplo:

Sustancia

Tfusión (ºC)

Mr (umas)

Momento dipolar (D)

H2O

100

18

1’85

CH4

- 164

16

0

CH3 - CH3

- 89

30

0

CH3 - CH2 - CH3

- 42

44

0’084

CH3 - CH2 - OH

78’5

46

1,69

Las sustancias apolares no son conductoras de la corriente eléctrica ya que no poseen partículas cargadas que puedan quedar libres; sin embargo, las polares, al tener dipolos permanentes, pueden conducir, aunque poco, la electricidad. Dichas sustancias suelen presentarse a temperatura ambiente y presión atmosférica como gases, aunque a medida que las fuerzas intermoleculares aumentan, pueden llegar a ser líquidos e incluso sólidos. Cabe resaltar, también, que los líquidos covalentes polares, como el agua, tienden a ser muy buenos disolventes de las sustancias iónicas, pero la tendencia de las sustancias moleculares es a disolverse en disolventes apolares. El enlace metálico La gran mayoría de los elementos conocidos son metálicos. Todos ellos son conductores del calor y de la electricidad. Se caracterizan por: a. Tener pocos electrones en su última capa. b. Bajo potencial de ionización. Los compuestos formados entre los metales se llaman aleaciones; así, el cobre disuelve al cinc en cantidades que pueden variar desde la traza hasta el 38'4%. Cualquier aleación de estos dos elementos entre esos dos porcentajes recibe el nombre de latón, y como no posee una composición definida se le clasifica como una

simple disolución, aunque sus iones estén unidos por fuertes enlaces metálicos. El modelo del mar de electrones.

Es el modelo más sencillo y está sustentado en las siguientes hipótesis:



Los átomos metálicos pierden sus electrones de la capa de valencia quedándose cargados positivamente.



Los cationes forman una red tridimensional ordenada y compacta cuya estructura depende en gran medida del tamaño de los cationes del metal.



Los electrones de valencia liberados ya no pertenecen a cada ión sino a toda la red cristalina, rodeando a los cationes como si fuesen un gas de electrones, neutralizando la carga positiva.



El mar de electrones se mueve libremente dentro de la red cristalina de cationes y no puede escapar de ella debido a la atracción electrostática con los cationes. Es decir, el modelo sugiere que los electrones de valencia están totalmente libres y deslocalizados, formando una nube electrónica que interacciona simultáneamente con muchos cationes. Esto explicaría la presencia de iones y la conductividad eléctrica de los metales.

Propiedades de las sustancias metálicas. Las propiedades de las sustancias metálicas difieren mucho de unas a otras, pero vamos a hablar en general de todas ellas: 1. Densidad: El empaquetamiento compacto de los iones en la red cristalina metálica hace que las densidades de los metales sean altas en general, aunque hay mucha diversidad y excepciones, por ejemplo, los metales alcalinos y el plomo son muy blandos, mientras que el osmio y el platino son muy duros. Todos son sólidos excepto el Mercurio, el Cesio y el Francio que

son líquidos. 2. Puntos de fusión y ebullición: En general el enlace metálico mantiene los iones fuertemente unidos dado que la mayoría poseen puntos de fusión y de ebullición muy altos, aunque hay grandes variaciones, desde el cesio, (29ºC), hasta el platino que es casi infusible. Los puntos de fusión y ebullición dependen en gran medida de dos factores: del tamaño: A medida que el tamaño del ion es mayor, el punto de ebullición disminuye. del número de electrones cedidos por cada átomo: A medida que el número de electrones cedidos por cada átomo sea mayor, el punto de fusión será más alto. Aquí te doy unos datos para que lo compruebes tú mismo: Nº de electrones enlazantes

1

2

3

K : 54

Ca : 851

Sc : 1397

Elemento: Temperatura de fusión (ºC) Rb : 39

Sr : 771

Y : 1277

Cs : 29

Ba : 717

La : 887

3. Conductividad eléctrica y térmica: Son buenos conductores eléctricos, ya que los electrones de la nube electrónica se pueden mover con total libertad. Por la misma razón, si los metales se calientan, los electrones adquieren mayor energía cinética que se va trasladando por todo el metal. 4. Propiedades mecánicas: Son dúctiles (se pueden hacer hilos por estiramiento) y maleables (se pueden laminar) debido a la naturaleza de las fuerzas que mantienen unido al sólido, es decir, que siempre que la separación entre los cationes no sea muy grande, la nube electrónica los mantendrá unidos).

5. Brillo: Debido a la movilidad de electrones, son capaces de absorber y después remitir prácticamente todas las longitudes de onda de la luz visible, por eso en general tienen un color negruzco y opaco; el cobre y el oro no remiten una parte de la radiación azul que reciben y por eso tienen un color amarillento.

3.2 LOS DIAGRAMAS DE TRANSFORMACION TTT. Un diagrama TTT (temperatura, tiempo, transformación) o curva S resume las posibles transformaciones de la austenita para cada acero, imprescindibles tanto para el diseño de tratamientos térmicos como para la interpretación de las microestructuras resultantes después de los mismos. Su construcción experimental se realiza mediante un determinado número de muestras de acero que, previamente autenticadas, se enfrían en baños de sales a diferentes temperaturas y tiempos determinados. La microestructura obtenida en cada una de las muestras se analiza y representa, obteniéndose así el diagrama TTT para ese acero. A la temperatura a la que se produce cada uno de estos cambios se le conoce como “punto crítico”. El estudio de estas transformaciones se realiza desde un doble punto de vista. Por un lado estudiaremos la termodinámica del proceso: a través de los diagramas Fe-C se determinará el estado de equilibrio que alcanzaría el sistema en unas cocciones dadas de composición y temperatura.

Por otro lado se estudia la cinética (la velocidad) del proceso, es decir, el estado que realmente alcanza el sistema en función de la velocidad a la que se realiza el enfriamiento. Para ello utilizaremos los diagramas TTT.

Por ejemplo. En estos gráficos se representa en el eje de abscisas el tiempo en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la temperatura.

Las curvas rojas indican el tiempo requerido para que, fijada una temperatura constante cualquiera (proceso isotermo), la austenita se transforme en otra fase. Las estructuras que se forman también se indican sobre el diagrama. Las curvas azules se obtienen utilizando una serie de probetas de un cierto tipo de acero calentadas hasta que han alcanzado la temperatura ligeramente superior a la de temperatura de autenticación y mantenidas en esa temperatura el tiempo suficiente como para que toda la probeta se haya autenticado completamente.

A continuación se comienza a enfriar cada una de las probetas a distintas velocidades y se van observando el micro constituyente que se van obteniendo. Cada enfriamiento dará lugar a una curva diferente: La línea V1: Se corresponde con un enfriamiento lento. Como producto final se obtiene como una perlita de poca dureza (láminas gruesas). La línea V2: Corresponde a un enfriamiento más rápido. La velocidad de difusión disminuye formándose productos más dispersos y más duros, pero el micro constituyente obtenido sigue siendo perlita, aunque de grano más fino, llamado también sorbito. A medida que va aumentando la velocidad de enfriamiento se obtienen diferentes líneas, y como producto final diferentes micro constituyentes. Así la línea V3 produce trastito, la V4 vainita superior y la V5 vainita inferior. Hay que tener en cuenta que para templar el acero, lo que se pretende es que toda la austenita se transforme en mar tensita. Es por ello que el enfriamiento ha de realizarse a una velocidad tal que no tengan tiempo de producirse los procesos difusivos de descomposición de la austenita en la región superior de temperaturas (V6). A la velocidad mínima de enfriamiento, para que se forme mar tensita a partir de la austenita se le denomina velocidad crítica de temple (VC). Por lo tanto para templar un acero es necesario que se enfríe con una velocidad mayor que la crítica, de lo contrario se obtendrían productos perláticos, principalmente proustita o vainita, lo que disminuirá la dureza del material tratado.

Así definimos: Las principales características del proceso son: 

Ocurre sin difusión.



El contenido de carbono de la mar tensita sigue siendo el de la austenita que la generó.



La transformación tiene lugar a intervalos a partir de la curva de inicio de transformación (Mi) hasta la curva final de transformación (Mf).



Se trata de una transformación irreversible.



La tetragonalidad de la martensita depende de la concentración de carbono.



Se forma una estructura en forma de láminas o agujas.



El metal así obtenido queda en estado inestable con una gran cantidad de tensiones internas.

Se denomina curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformación isotérmica. Los diagramas TTT son gráficas que representan la temperatura frente al tiempo (normalmente en escala logarítmica). Son muy útiles para entender las transformaciones de un Acero que se enfría isotérmicamente. Así por ejemplo, en el caso del acero, y más concretamente para la fase Austenita, que es inestable debajo de la temperatura de transformación eutectoide, se necesita saber cuánto tiempo requerirá para empezar a transformarse a una temperatura subcrítica específica, cuánto tiempo precisará para estar completamente trasformada y cuál será la naturaleza del producto de esta transformación.

Se elaboran con el porcentaje de transformación frente al logaritmo de las medidas de tiempo.

En una curva TTT distinguimos:

γ estable

γ inestable

γi + P

γi + B γi + M

Perlita

Bainita

(1): Curva Transformación

Inicial

de

(2): Curva Transformación

Final

de

VCT: Velocidad temple

Crítica

de

Ms: Curva Inicial de transformación Martensítica

Martensita

Por debajo de Ms la evolución es independiente del tiempo, sólo depende de la temperatura, es atérmica.

La nariz perlítica nos da el mínimo tiempo de retardo y nos define la velocidad crítica de temple del acero, que es la mínima velocidad que nos permite alcanzar una estructura 100% Martensítica, sin haber sido sometido a ninguna otra transformación en el enfriamiento.

Llamamos tiempo de retardo o periodo de incubación al tiempo necesario para que comience la transformación isoterma de la austerita, es distinto para cada temperatura.

El diagrama TTT más simple es el del acero al carbono eutectoide, al carbono, ya que no hay constituyentes proeutectoides en la microestructura. Vemos la diferencia entre un diagrama de un Acero Hipoeutectoide y otro Hipereutectoide.

γe

γe

γe

γ+α

γ+ CF3

α+P

γ+P+α γi γ+B

γe

B

γ+P+CF3

CF3+P

γi

γ+M

γ+B

B

γ+M M

M

En los diagramas distinguimos tres zonas:

1. 2. 3.

La de la izquierda de las curvas, donde la Austenita todavía no ha comenzado a transformarse. La comprendida entre las dos curvas, donde la Austenita está en periodo de transformación. La de la derecha, donde la Austenita se encuentra completamente transformada.

Para obtener estos diagramas, se calienta un conjunto de probetas iguales a la temperatura de austenización, y se mantienen allí hasta que se transforman en austerita. Conseguido esto, se enfrían bruscamente en baños de sales o metal fundido hasta la temperatura deseada, que permanecerá constante mientras dure el ensayo; a intervalos de tiempo determinados se sacan las probetas del baño y se enfrían bruscamente hasta temperatura ambiente. Mediante el examen microscópico de las mismas, se determina la cantidad de austerita transformada en función del tiempo y con ello, el principio y el final de la transformación. Se obtiene así el diagrama que nos da la cantidad de Austenita transformada en función del tiempo, a temperatura constante.

Existen diversos factores que influyen sobre las curvas TTT, desplazando las mismas hacia la derecha o hacia la izquierda en el diagrama, es decir, retardando o adelantando el

comienzo de la transformación martensítica, o desplazando hacia arriba o hacia abajo las líneas de principio y fin de la transformación martensítica. Estos factores son, entre otros:

1.

2.

3.

El contenido en Carbono de la aleación: a mayor contenido mayor será el desplazamiento hacia la derecha de las curvas inicial y final de transformación; y hacia abajo las isotermas que indican el principio y el fin de la transformación martensítica. Temperatura de Austenización: cuanto mayor sea, mayor será el tamaño de grano, y mayor por tanto el desplazamiento de las curvas hacia la derecha y hacia abajo. Elementos Aleantes: distinguimos entre dos tipos: a. Ganmágenos: aquellos que se disuelven preferentemente en la Austenita como son el Níquel y el Manganeso, que expanden por tanto el campo de existencia de la Austenita desplazando hacia abajo las isotermas. b. Alfágenos: se disuelven preferentemente en la fase α (Ferrita), son por ejemplo el Cromo, el Molibdeno, el Vanadio y el Wolframio; y desplazan las isotermas hacia arriba. c. Carburígenos: son elementos (habitualmente Alfágenos) que tienden a formar carburos. Producen una segunda zona de temperaturas de transformaciones rápidas al nivel de la transformación de la austerita en Bainita.

Todos los elementos de aleación, excepto el cobalto, aumentan los tiempos de transformación isoterma de la austenita.

Existe una fórmula, la “Fórmula de Andrews” que nos da la influencia de los elementos aleantes en la temperatura Ms, en grados Celsius:

Ms(ºC)=500-350(%C)-40(%Mn)-35(%V)-20(%Cr)-17(%Ni)-10(%Cu)-5(%W)+15(%Co) +30(%Al) 1

1

A partir de estos diagramas podemos determinar el tratamiento bajo el cual debemos someter a un material para obtener la estructura y las propiedades deseadas, y como deben ser los tiempos y las temperaturas de dichos tratamientos.

Además de las curvas TTT, podemos hablar de las curvas TTT de enfriamiento continuo, que no pueden ser deducidas a partir de las anteriores y que presentan unos tiempos mayores debido a que en el caso de enfriamiento continuo se pasa mayor cantidad de tiempo a altas temperaturas, mientras que en el caso isotérmico el material llega instantáneamente a la temperatura de transformación. En estos últimos se indica en la parte inferior una escala de dureza.

DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIONES ISOTERMICAS

Estos diagramas también llamados diagramas TTT (Transformación en función del Tiempo y de la Temperatura), llamada a veces curva en S, resumen este estudio. Indican para cada temperatura, el tiempo correspondiente al comienzo y al final de la transformación, la naturaleza de los productos al final de la transformación y generalmente su dureza. A la izquierda de la curva de comienzo de transformación, el metal esta en el estado austenítico, mientras que a la derecha de la curva de fin de transformación, la austenita esta totalmente remplazada por productos de naturaleza variable. A veces se ponen los tiempos correspondientes a ciertas fracciones de la transformación, por ejemplo 25%, 50%, 75%. Las temperaturas de transformación se colocan en ordenadas y los tiempos en abscisas; la escala de tiempo es logarítmica, porque los diversos tiempos son demasiados diferentes, a veces de un segundo a la semana, para permitir el empleo de una escala lineal. La forma de la curva TTT depende esencialmente de la composición química del acero.

Caso del acero al carbono eutectoide. El diagrama más simple es el relativo al acero al carbono eutectoide.

Caso de los aceros al carbono no eutectoides. El diagrama es más complejo, porque la formación de perlita esta precedida a alta temperatura de la precipitación de ferrita (aceros hipoeutectoides) o de cementita (aceros hipereutectoides).

Caso del acero al carbono eutectoide. El diagrama más simple es el relativo al acero al carbono eutectoide.

Caso de los aceros aleados. Los elementos de adición producen un fuerte desplazamiento de las curvas hacia la derecha, tanto más marcado cuanto más elevado es el contenido. Unicamente el cobalto desplaza las curvas hacia la izquierda. Los elementos Ni y Mn no cambian el aspecto general del digrama. Por el contrario, los elementos de carburos (Cr, Mo, W, V) provocan la formación de una segunda zona distinta de temperatura de transformación rápida que corresponde a la transformación austenita → bainita. Los campos perlítico y bainítico están más o menos claramente separados y a veces estan muy desigualmente rechazados; así, el Mo rechaza sobre todo el campo perlítico, mientras que el Cr influye principalmente sobre el campo bainítico; y aveces sucede que este último no aparece aún para duraciones de 24 horas. La composición de los carburos depende de la temperatura y de la duración del mantenimiento.

NOCIONES SOBRE EL TRAZADO DE LAS CURVAS TTT Trazado en las regiones situadas encima de Ms.

Ms (°C) =

539 – 423 (%C) – 30 (%Mn) – 18 (%Ni) – 12 (%Cr) (%Mo)

– 7,5

1.Metodos discontinuos. Se pone una serie de muestras a una temperatura dada (superior a A3 o Acm) con un acero enteramente austenítico, y después se sumergen estas muestras en un baño a temperatura constante θ durante tiempos t 1, t2, t3...; al comienzo del tiempo el metal esta formado unicamente de austenita y al final una mezcla de q% del producto de la descomposición isoterma de la austenita y de (100 - q)% de austenita no descompuesta. Luego la muestra templada en agua salada, el producto de la descomposición isoterma no sufre modificación, mientras que la austenita se transforma en martensita. La determinación de q se hace por micrografía.

La determinación de la austenita residual puede hacerse igualmente por análisis cuantitativo por rayos X o por medida de de la masa volumínica en la balanza hidrostática.

2.Metodos continuos. Estos métodos consisten en registrar, durante la descomposición isoterma, las variaciones en función del tiempo de una cierta propiedad física del acero. Esta propiedad debe ser netamente diferente para la austenita y para los productos de su descomposición isoterma. El método más empleado es la dilatometría.

APLICACIONES DE LAS CURVAS TTT AL TEMPLE CLÁSICO

1. Comienzo de la transformación. A una curva TTT, superpongamos una linea que represente la ley de enfriamiento de un temple clásico. La temperetura de comienzo de la transformación perlítica viene dada por la ordenada a de la intersección de la curva de enfriamiento y de la linea que representa el comienzo de la transformación. Pero el metal ha seguido durante el tiempo t el camino AB y no el camino A a B; ha permanecido un tiempo mayor en un campo donde las velocidades de transformación son más pequeñas, y como consecuencia, el comienzo de la transformación se situará en una temperatura b inferior a a. por consiguiente la curva de comienzo de transformación para un enfriamiento contínuo está desplazada hacia abajo y hacia la derecha con relación a la linea correspondiente a las curvas TTT. De la misma forma la velocidad crítica de temple no corresponde a la curva de enfriamiento AC tangente a la curva TTT de comienzo de transformación, sino a una linea AC’ decalada hacia la derecha. Desarrollo de las transformaciones. En el temple clásico, la descomposición de la austenita es anisoterma, y la constitución final es la resultante de las transformaciones elementales realizadas a cada una de las temperaturas de descomposición. Un enfriamiento continuo puede ser considerado como una serie de estancias isotermas muy breves a temperaturas decrecientes, separadas por enfriamientos casi instantáneos; la constitución final será facil de determinar si cada descomposición elemental se efectua según las curvas TTT, sin ser influenciada por una descomposición precedente; pero se concibe que una primera descomposición pueda obrar sobre una segunda de dos maneras: modificando la velocidad de transformación , o modificando la composición de la austenita residual (así una precipitación de ferrita provoca una elevación del contenido en carbono de la austenita).

Aplicaciones cualitativas. Las curvas de transformaciones isotermas no pueden ser aplicadas cuantitativamente al estudio del temple clásico de los aceros. Sin embargo, permiten hallar cualitativamente los resultados esenciales.

Posición de los puntos de transformación de los aceros no aleados. A medida que el enfriamiento se hace más enérgico, la curva de enfriamiento se aproxima al eje de ordenadas; el punto Ar’ correspondiente al comienzo de la transformación perlítica desciende, aparece MS, y despues desaparece Ar’. La parte baja del diagrama muestra que la transformación martensítica empieza siempre a la misma temperatura que no progresa más que con un descenso de temperatura, y que la proporción de martensita formada durante el enfriamiento rápido depende unicamente de la temperatura alcanzada y no de la velocidad de enfriamiento.

Realización del temple. El temple clásico consiste generalmente en obtener el máximun de martensita, y en consecuencia evitar toda transformación. El temple en agua, se forma una pelicula de vapor alrededor de la pieza, el enfriamiento no es rápido, el colchon de vapor se rompe y el líquido se vaporiza en contacto con el metal: la velocidad de enfriamiento es mayor; finalmente, cuando la temperatura superficial del acero alcanza el punto de ebullición del líquido, el enfriamiento se hace por el líquido por conducción y convección, es lento. En el temple al aceite, se vuelve a hallar los tres estados de enfriamiento encontrados en el temple al agua. El estado final e el cual se acaba la transformación martensitica se efectua con velocidad de enfriamiento pequeño, lo que origina una influencia afortunada para la disminución de los accidentes de temple.

Mecanismos de la transformación martensítica. -En el temple clásico de los aceros ricos en carbono en el agua a 20°C, queda un poco de austenita residual. -Los elementos aleados desplazan las curvas hacia la derecha, osea hacen más facil la obtención de martensita. -Cuando el punto MS esta debajo de 20°C, se puede obtener el mantenimiento integral del estado austenítico puro a temperaturas ambientes.

-Si Mf esta bajo temp. Ambiente entonces hay interes en realizar untemple a temperatura muy baja para obtener un producto máximo de dureza. 4.1 NUEVOS MATERIALES. Hoy en día, debido a los avances en física, química e informática, la creación de nuevos materiales se ha convertido en algo más que esperanzador. Sumado ésto a la gran invención de los últimos tiempos, la nanotecnología. La nanotecnología trabaja a nivel atómico y molecular, lo que podría generar una revolución a nivel molecular en un futuro cercano. Debes saber que... Los nuevos materiales son productos de nuevas tecnologías fruto del desarrollo de la química y la física aplicada, de la ingeniería y de la ciencia de los materiales. Se han diseñado para responder a nuevas necesidades o a alguna aplicación tecnológica. El rápido progreso de la electrónica durante la segunda mitad del siglo XX se explica por el refuerzo mutuo entre la investigación de materiales y su aplicación industrial práctica en áreas tan distintas como la ingeniería, la medicina, la construcción, las telecomunicaciones o la informática. Los avances de la física y la aparición de la electrónica combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como: Semiconductores: Materiales como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el grado de iluminación que se aplica. Con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas. Superconductores: Materiales como el mercurio por debajo de 4 K de temperatura, nanotubos de carbono, aleaciones de niobio y titanio, cerámicas de óxidos de itrio, bario y cobre, etc., que al no oponer resistencia al paso de la corriente eléctrica, permiten el transporte de energía sin pérdidas. Piezoeléctricos: Materiales como el cuarzo, la turmalina, cerámicas y materiales plásticos especiales, dotados de estructuras microcristalinas, que poseen la capacidad de transformar la energía mecánica en eléctrica y viceversa. Se utilizan como sensores y actuadores en dispositivos electrónicos como relojes, encendedores, micrófonos, radares, etc. Otros nuevos materiales son: Siliconas: Polímeros en los que las cadenas están formadas por silicio en lugar de carbono. Son materiales muy flexibles, ligeros y moldeables. Son aislantes del calor y de la electricidad y no les afectan ni el agua, ni las grandes variaciones de temperatura. No sufren

rechazo en tejidos vivos. Se usan para fabricación de revestimientos exteriores, tapar y sellar grietas, fabricación de prótesis e implantes, material quirúrgico, cirugía estética, etc. El coltán: formado por dos minerales, la columbita y la tantalita, de los que se extraen el tántalo y el niobio, metales necesarios para la fabricación de microprocesadores, baterías de móviles, componentes electrónicos, aleaciones de acero para oleoductos, centrales nucleares, etc. El 80% de las reservas conocidas se encuentra en la República Democrática del Congo. Por ello hay en esta región una amplia zona de conflicto y de guerras por el control de las minas de diamantes, oro, uranio y coltán. La fibra óptica: son fibras constituidas por un núcleo central de vidrio muy transparente, dopado con pequeñas cantidades de óxidos de germanio o de fósforo, rodeado por una fina capa de vidrio con propiedades ópticas ligeramente diferentes. Atrapan la luz que entra en ellas y la transmiten casi íntegramente. Materiales inteligentes, activos o multifuncionales: materiales como los recubrimientos termos crómicos, capaces de responder de modo reversible y controlable a diferentes estímulos físicos o químicos externos, cambian de color según la temperatura, en caso de incendio, movimientos, esfuerzos, etc. Se utilizan como sensores, actuadores, etc. en demótico y sistemas inteligentes de seguridad. Materiales con memoria de forma: materiales como las aleaciones metálicas de níquel y titanio, variedades de poliuretano y polietileno capaces de «recordar» la disposición de su estructura espacial y volver a ella después de una deformación. Se utilizan en sistemas de unión y separación de alambres dentales para ortodoncia, películas protectoras adaptables y válvulas de control de temperatura. Materiales híbridos: materiales formados por una fibra y una matriz, como fibras de vidrio y de carbono con una matriz de poliéster o matriz metálica o de cerámica. Son materiales ligeros y de gran resistencia mecánica y altas temperaturas, utilizados en la industria aeronáutica y de embarcaciones, en motores y reactores de aviación. Los biomateriales son materiales inertes para el organismo, que pueden emplearse en el cuerpo humano, sin rechazo, para sustituir un órgano o un tejido dañado o para cumplir una función. Se emplean como biomateriales el titanio y sus aleaciones, el platino y sus aleaciones con iridio, las cerámicas biomédicas, materiales bioinertes como la circona, materiales superficialmente activos como la hidroxiapatita, materiales cerámicos reabsorbibles, algunos fosfatos y óxidos para rellenar huesos, polímeros como el polimetil metacrilato, materiales de matriz cerámica y fibras para ortopedia. Se emplean en implantes de cadera, implantes dentales, marcapasos, puntos de hilo reabsorbibles, válvulas para el corazón, hilos intraoculares. Los biomateriales no producen sustancias tóxicas ni deben causar reacciones biológicas adversas.

La Ciencia y Tecnología de Materiales tiene tres finalidades:

elegir el material adecuado para ser utilizado en las condiciones requeridas una vez fijada su naturaleza o composición química,

-

seleccionarla calidad adecuada a la misión que se le encomienda,

fabricar y manipular en la forma precisa para que, mediante los adecuados tratamientos –térmicos y mecánicos- lograr que alcance la estructura –cristalina, vítrea o amorfa- más en consonancia con las propiedades apetecidas; éstas pueden ser físicas – rigidez, conductividad, temperatura de fusión-, químicas –resistencia a la oxidación, corrosión, mojabilidad-, o mecánicas –resistencia mecánica, dureza y tenacidad-.

Cabe en este punto distinguir entre materiales estructurales y materiales funcionales. Los primeros son empleados en virtud de alguna de sus propiedades mecánicas –aceros para ferrocarriles o estructuras metálicas; hormigones para grandes obras de ingeniería civil, aleaciones ligeras para las industrias del transporte terrestre y aeroespacial-; los segundos, materiales funcionales, para ciertas aplicaciones específicas –resistencia al calor, a las radiaciones, propiedades ópticas, electrónicas o magnéticas, biomateriales, etc.- que

restringen su campo de utilización, haciendo de ellos –si se comparan con los estructuralesmateriales habitualmente caros.

La drástica distinción establecida ente unos y otros deberá ser empleada con la debida prudencia: a un mismo material –para una determinada aplicación- puede exigírsele diferentes virtualidades; por ejemplo, al acero empleado en la carrocería de los coches se le pide primordialmente que asegure la estabilidad y seguridad mecánica del habitáculo, pero también que proteja a los pasajeros contra el frío, la lluvia y el viento; las superaleaciones de base níquel son materiales de elección para la fabricación de álabes de turbina no solamente por su elevada resistencia a corrosión sino, además, porque retienen buena parte de sus propiedades mecánicas –resistencia a la deformación por fluencia- hasta temperaturas superiores a los 1.000 ºC. Entre los materiales puramente estructurales o funcionales, existe una amplia gama de materiales intermedios todos ellos imprescindibles, en mayor o menor medida, para el desarrollo tecnológico: Los motores a reacción no hubieran sido posibles sin el empleo de las superaleaciones; los circuitos electrónicos, sin el uso de Si extra-puro o del AsGa; la fabricación del aluminio, por vía electrolítica, es posible por el empleo de cátodos de carbono-grafito, altamente resistentes a la corrosión por parte del metal fundido; en fin, al desarrollo de las centrales nucleares de potencia en sus variantes PWR –agua a presión- y BWR –agua en ebullición-, ha contribuido el uso de nuevas aleaciones de Zirconio –Zircalloys- transparentes a los neutrones. Los ejemplos podrían multiplicarse.

Ciñéndonos más al campo de los materiales «esencialmente» estructurales: metálicos, cerámicos, polímeros y sus híbridos –materiales compuestos, composites-, las posibilidades de elección, al menos potenciales, abarcan una cifra global superior a los 60.000. El primer cuadro, Tabla 1, recoge las propiedades generales, ventajas e inconvenientes de los metales, cerámicos, polímeros y compuestos. El segundo, Tabla 2, las propiedades fundamentales y precio orientativo de 75 materiales, considerados emblemáticos, dentro de la gran variedad disponible. En la práctica la selección para una determinada aplicación, suele quedar restringida a unos pocos en función –ya dijimos- de sus propiedades intrínsecas (rigidez, densidad, resistencia mecánica, tenacidad, etc.) y de ciertas propiedades atributivas (costo, calidad superficial, disponibilidad); o de alguna otra propiedad funcional complementaria como sería su resistencia a corrosión y a la temperatura, carácter conductor, semiconductor o aislante, compatibilidad biológica, degradabilidad, etc. Esta selección va cerrándose, focalizándose, conforme avanza el proceso de diseño de una pieza o componente determinado en sus diferentes fases: conceptual, croquización y detalle. Pero

ya desde esta primera etapa, la conceptual, será la selección no sólo por propiedades sino también en atención a su coste, lo que facilitará el fin perseguido: la pieza o componente de calidad y precio óptimos. Esta aproximación resulta particularmente válida para aquellos materiales de más amplia utilización en ingeniería civil, mecánica y fabricación de bienes de equipo, en los que su coste incide más elevadamente en el precio global del producto acabado. Y es precisamente este segundo aspecto, el económico, el que ha dictado que, determinados materiales considerados tradicionales por el gran público –acero, hormigón, madera y piedra- no hayan sido ni serán desplazados por otros más modernos o nuevos – aleaciones ligeras, polímeros, composites- amén de otras consideraciones. Un buen ejemplo –quizá el más apropiado- que muestra hasta dónde la innovación no rompe con la tradición – ignorancia sería afirmarlo- sino que ambas se entrelazan, complementan y compiten mutuamente será el de los nuevos materiales denominados Compuestos o Composites.

2.- Materiales compuestos.

Se acuñó este nombre en la década de los 60. Augurándoles un brillante provenir, su desarrollo parece resultar menos espectacular de lo esperado, por motivos que, más adelante, expondremos.

2.1.- Origen de los materiales compuestos (M.C.)

Ante todo debe negárseles el mito de la novedad: ningún material estructural es tan antiguo como los Materiales Compuestos. La propia naturaleza ofrece innumerables ejemplos: la madera consiste en una estructura fibrada de lignina (matriz) y celulosa (refuerzo); los animales vertebrados están compuestos de un esqueleto óseo incluido en los tejidos y músculos; los moluscos artrópodos tienen una constitución corpórea inversa: carcasa calcárea en el exterior y tejidos musculares en su interior.

El hombre, desde la antigüedad, intuyó el interés que presentaban los M.C., fabricándolos como ya testimonia el pasaje del Éxodo (V, 6-7): «El Faraón dio la siguiente orden a sus ministros: no daréis, como antaño, paja al pueblo para hacer ladrillos; que vayan ellos a recogerla». Los ladrillos, arcilla reforzada por paja, eran verdaderos materiales compuestos; podemos suponer que la paja –las fibras- no estaba orientada sino que tenía una disposición

2.2.- Un Material Compuesto: El Hormigón

El Hormigón es el material estructural, de construcción, más versátil y de más amplia utilización. La producción mundial, en tonelaje, excede en peso diez veces la del acero – segundo material estructural en consumo- y en más de 30 veces si nos referimos al volumen –la densidad del Fe es 7,8 Mg/m3; la de hormigón 2,4 Mg/m3-. Es decir, el consumo de hormigón por habitante del planeta Tierra supera 1 Tm. Sólo otro material –no estructural, por cierto- es consumido en análogas cantidades: el agua.

El hormigón es uno de los materiales compuestos artificiales –fabricados por el hombre- más antiguos. Se emplea desde hace más de 2.000 años y muchas de las estructuras con él fabricadas, aún perduran –véase el Coliseo de Roma- signo de su durabilidad y resistencia al paso del tiempo.

Los motivos para el empleo de hormigón son múltiples. En primer lugar, sus componentes –cal, arcilla, agua, arena y piedra- son abundantes, accesibles, en cualquier lugar del mundo, de modo que puede fabricarse «in situ», evitando los costes por transporte de materias primas, que gravan la producción de otros muchos materiales. En segundo lugar, su coste de fabricación es bajo comparado con el de otros materiales de ingeniería. Por ejemplo, el consumo de energía requerido para la obtención de 1 Tm de hormigón simple y de hormigón armado toman valores comprendidos entre 450-750 y 800-3.200 KWh/Tm respectivamente; frente a los 8.000 KWh/Tm necesarios para un acero de construcción. Más aún, en los últimos años ciertos materiales de deshecho –por cierto abundantes- han sido incorporados en calidad de materias primas al hormigón –cenizas volantes de central térmica, escorias de horno alto y cáscara de arroz- con la triple ventaja de que se abaratan costos, algo desechable se convierte en útil; y que, con el conveniente tiempo de fraguado, se mejoran sus propiedades. Una tercera ventaja del hormigón es que puede «moldearse» fácilmente –a temperatura ambiente- obteniéndose piezas de formas complicadas. Es tal su versatilidad que puede emplearse tanto para fabricar el puente de una autopista, como la estructura de una plataforma off-shore o una pieza de ornamentación. A pesar de las ventajas anteriormente reseñadas, el hormigón ha sido prácticamente ignorado por los responsables de la investigación y desarrollo en Ciencia y Tecnología de Materiales. Como razón principal se adujo que el hormigón era un material de «baja tecnología» y, por este motivo, poco apto para la investigación: nada más lejos de la verdad. La Tabla adjunta, Tabla 3, ofrece una panorámica general de la complejidad técnica que ofrece en relación con otros materiales que se han apropiado el título de «avanzados»; se deduce, de su observación que por «baja tecnología», algunos entienden «bajo precio». En realidad, ¿son ambos aspectos incompatibles? ¿No es más bien el binomio buenas propiedades-bajo precio el que trata de conjugar el ingeniero en la elección y selección de materiales estructurales?.

Ilustremos –para terminar el apartado-, con tres materiales, dos de ellos considerados convencionales –acero y hormigón armado- y otro avanzado –epoxy reforzada por fibra de C, CFRP- un sencillo ejemplo de selección del material para la fabricación de una viga de sección cuadrada, A, longitud dada L que deba soportar un esfuerzo F en condiciones a) de mínimo peso; b) de mínimo coste.

-

Mínimo peso: F = σ.A;

V = AּL;

P = ρּAּL

Material de elección será aquél cuyo cociente resistencia mecánica/densidad –σ/ρ- resulte máximo.

-

Mínimo coste : F = σּ A ;

V = AּL ;

C = cpּρּAּ L

Material de elección será aquél cuyo cociente resistencia mecánica/coste –σ/cpּρ- sea máximo.

De este sencillo ejemplo se deduce que el hormigón resultará difícilmente desplazable como material estructural en la fabricación de aquellas piezas o estructuras en las que el peso no sea un factor fundamental del diseño: es mucho más barato; por el contrario, la epoxy reforzada por fibra de carbono, CFRP, será material de elección –pese a su elevado costecuando resulte de todo punto necesario aligerar peso, como ocurre en la industria aeroespacial y del transporte, en las que se pretende economizar combustible, aumentar la capacidad de flete o el radio de autonomía de los vehículos.

Para la resolución de casos intermedios, en los que haya que diseñar en base a una o varias propiedades, incluso el coste, pueden aplicarse –también al sencillo ejemplo enunciado- los modelos de análisis atributivo. Así supuestas tres propiedades genéricas – podría tratarse de su resistencia específica, R = σ/ρ; tenacidad específica, T = Kc/ρ y precio específico: C = σ/ρcp –con un factor de peso asignado a cada una de ellas- WR, WT, WC- la valoración o puntuación Q obtenida por un material I, entre los disponibles, sería igual a:

donde los subíndices Max se refieren al material con el máximo valor de la propiedad considerada. Si los factores de peso se expresan en tanto por uno el ranking o clasificación

por propiedades quedaría comprendido entre 0 y 100. Aplicándolo al ejemplo anterior, con sólo dos propiedades –resistencia y coste- consideradas paritariamente (WR = 0,5; WC = 0,5), el valor Q de los materiales considerados sería:

La elección se decantaría claramente hacia el hormigón armado. He aquí expuesto, de manera muy sencilla y esquemática, un ejemplo que constituye un motivo serio de reflexión.

3.- Materiales modernos

La simple proposición, enunciado y resolución de los ejemplos anteriores ilustra el papel desempeñado en la «civilización ingenieril» y marca la evolución de los materiales simples hacia los materiales compuestos. En efecto, los materiales simples, si se trata de metales puros son demasiado blandos; si cerámicos, demasiado frágiles, micrografía 6; si polímeros, demasiado deformables o inestables con la temperatura. Su empleo será creciente en el futuro, gracias a una mejor inteligencia o conocimiento de los materiales simples, y a la disponibilidad de materias primas y de energía para fabricarlos. De la gran variedad de materiales estructurales simples deriva la gran diversidad de sistemas o combinaciones posibles para elaborar los materiales compuestos.

Vamos a intentar establecer, a partir de la variedad, algunos hilos conductores, que sirvan de elementos de clasificación de los materiales compuestos.

La escala: puede abarcar desde el Ángstrom (10-10 m) –refuerzo de un metal puro por átomos en solución sólida- hasta decenas de metros (102 m) –diques construidos con hormigón armado-.

La naturaleza de la matriz y del refuerzo: puede ser metálica, cerámica, vítrea u orgánica. Un cerámico aumentará la dureza de una matriz metálica. Un metal o un cerámico incrementarán la resistencia y tenacidad de una matriz polimérica.

Propiedades físicas y mecánicas, tales como el módulo elástico en tracción (E); en cizallamiento (G), densidad y carga de rotura de los materiales simples.

Enlace entre fases y su compatibilidad en función de la temperatura.. Las uniones físicas son menos interactivas que las químicas: poseen mayor energía superficial. Los materiales simples que constituyen el «composite» puede no formar un sistema en el sentido termodinámico del término.Longitud óptima o crítica de anclaje de las fibras de refuerzo que aseguren, por ejemplo un mínimo de tenacidad en la matriz. Aplicable, por ejemplo, a los polímeros reforzados por fibra de vidrio –GFRP- o de carbono –CFRP-. Modo de acción de la fase reforzante, que asegure en una, dos o tres dimensiones las propiedades mecánicas de la matriz.

El sistema de fabricación, por el cual matriz y refuerzo se constituyen simultánea y cooperativamente a partir de un proceso de solidificación o de difusión en estado sólido, o bien, ambos se fabrican por separado y después se ensamblan o mezclan, de modo artificial, macrografía 7.

3.1. Mecanismos de refuerzo

Existen dos mecanismos de refuerzo esencialmente distintos: aquellos en los que los elementos, defectos o fases dispersas mejoran las propiedades de la matriz, en la que, en cierto modo, se diluyen, perdiendo su identidad; y aquellos en los que la fase dispersa aporta su propia resistencia, complementando la aportada por la matriz. No resultará superflua una breve explicación de ambos.

A)

Refuerzo de propiedades de la matriz

Nos ceñiremos al caso de matrices «cristalinas», que concierne a los metales, cerámicas no vítreas y, parcialmente, a algunos polímeros orgánicos. La experiencia muestra que las fuerzas de cohesión entre átomos –dispuestos en redes tridimensionalmente ordenadasproporcionan cargas de rotura unas 100 veces inferiores a las teóricas.

Esta notable, a la par que misteriosa diferencia, recibió cumplida respuesta con el descubrimiento de las dislocaciones. Son defectos lineales, localizados en el interior de los cristales, que permiten el deslizamiento de unos planos cristalográficos respecto a sus contiguos –hilera de átomos a hilera de átomos- en lugar de exigir el cizallamiento simultáneo de los enlaces entre átomos sobre todo el plano de deslizamiento, vid. Figura 2 adjunta; de este modo la tensión necesaria para provocar el deslizamiento –o posible deformación antes de rotura- se ve claramente reducida. De su conocimiento se derivan, al menos teóricamente, dos métodos para evitar la disminución de propiedades mecánicas – particularmente notoria en los metales- motivada por la existencia de dislocaciones:

Suprimir las dislocaciones, como ocurre en los cristales filamentosos -de muy pequeño diámetro-, denominados «whiskers» que alcanzan cargas de rotura similares a las teóricas: del orden de 20 GPa.

Impedir el movimiento de las dislocaciones y el ablandamiento que originarían –de no ser así- en las redes cristalinas. Bloqueando su movimiento se llega, efectivamente, a anclarlas; bien por la presencia de átomos de soluto de tamaño adecuado (endurecimiento por solución sólida); o por segundas fases precipitadas (endurecimiento estructural); o por otras dislocaciones (endurecimiento por junta de grano). Se consigue así fabricar piezas – con determinados aceros- cuya carga de rotura es del orden de 3 GPa. ¡Ya nos encontramos a menos de diez veces por debajo de la carga de rotura teórica!. De modo que los cristales más sólidos resultan –paradójicamente- ser los más perfectos, o los más cargados de defectos. Una relación cuantitativa entre resistencia mecánica, parámetros de la matriz y defectos introducidos en ella –puntuales, lineales, de superficie o volumen- aplicable a los metales, es la que sigue:

siendo:

Re : límite elástico G :

módulo de cizallamiento

δs

:

diferencia relativa de radios atómicos del solvente y del soluto

Cs

:

concentración de soluto (en tanto por uno)

b

:

distancia mínima entre átomos

L

:

distancia tangente entre precipitados

ρ

:

densidad de dislocaciones

Kjg

:

coeficiente de endurecimiento por junta de grano

d

:

tamaño de grano

Apliquemos esta fórmula a dos sencillos ejemplos.

Caso 1: Endurecimiento por solución sólida sobresaturada de la aleación Al-5,5% Mg, deformada en frío (estado H 34), micrografía 8.

Datos: Parámetro de red del Al, 4 Å; parámetro de red del Mg, 3,2 Å; Módulo de cizallamiento de Al, 2.700 Kg/mm2; densidad de dislocaciones, ρ = 1010 cm/cm3. De donde,

Caso 2: Endurecimiento por afino de grano y precipitación (laminación controlada) de un acero HSLA, micrografía 9.

Datos: Parámetro de red del Fe, 2,86 Å; Módulo de cizallamiento del Fe, 8.500 Kg/mm2; tamaño de grano ferrítico ASTM 12 (5 micras); distancia entre precipitados, 1.350 Å; Kjg = 1,74 Kgּmm-3/2. De donde,

Es por ello que el conocimiento de la naturaleza (composición química, diagrama de solidificación y transformaciones en estado sólido), estructura micrográfica (tamaño de grano) y nanoscópica (precipitados, subestructura y densidad de dislocaciones) resulta absolutamente indispensable.

Los tratamientos térmicos y mecánicos tienen por finalidad modificar la naturaleza, tamaño y distribución de defectos en la matriz. A ellos resultan particularmente sensibles aquellos materiales que presentan cambios de solubilidad o de alotropía en estado sólido. De modo que la resistencia mecánica es función de la estructura. Podemos conseguir que un mismo material –siempre que su matriz resulte suficientemente rígida- sea de baja, media o alta resistencia.

(B) Adición de resistencia de las fases matriz y dispersa

Es el caso de los materiales compuestos sintéticos, en los que las fibras han sido dispuestas –ordenada o aleatoriamente- en una matriz preexistente.

Para pequeñas deformaciones –en régimen elástico- puede considerarse válida la regla de las mezclas en lo que al cálculo de la rigidez y resistencia mecánica se refiere. De modo que en la dirección paralela a las fibras, se verifica:

E = Em Vm + Ef Vf

σ = σm Vm + σf Vf

siendo Vm y Vf las fracciones en volumen de matriz y fibra; Em , Ef , σm y σf sus módulos de Young y resistencia mecánica respectivamente.

Para deformaciones permanentes –plásticas- la resistencia mecánica del composite no se ajusta ordinariamente a la regla de las mezclas. De este hecho, aparentemente paradójico pero real, se sigue que puede disminuir la carga de rotura del constituyente matriz si se le añade una proporción de fibras –constituyente disperso duro y frágil- inferior a un determinado valor crítico, Vc , dado por:

σff es la carga de rotura de las fibras; σym , σfm , el límite elástico y carga de rotura de la matriz respectivamente.

El hecho es que las fibras comienzan a romperse con la deformación y su volumen se sustrae del «volumen eficaz» de la matriz. La variación de la carga máxima soportada por el «composite» en función de Vf, aparece reflejada en la Figura 3 adjunta. Se advierte que la resistencia pasa por un mínimo para el volumen de fibras crítico, Vc , arriba indicado. En los CFRP es del orden del 3 %; en los GFRP, de un 5 %. La acción perjudicial de una fracción en volumen pequeña de fibras puede incluso agravarse por el efecto de entalla que generan en el constituyente matriz. En efecto, el nivel máximo de tensiones admisibles, σcr , en materiales tensionados con grietas preexistentes de longitud 2c es igual a,

siendo Kc ,una constante del material, denominada factor crítico de intensidad de tensiones o tenacidad a la fractura, vid. Tabla 2; resulta, además, equivalente a la raíz cuadrada del producto del módulo de Young en tracción, E, por la energía consumida por unidad de área de propagación de la grieta, Gc , conocida con el nombre de Tenacidad. Es decir:

Gc es la suma de dos términos: el primero γc , es la energía de descohesión o clivaje absorbida por unidad de área de propagación de la grieta; el segundo γd –el más importante- coincide con la energía plástica almacenada en los frentes de grieta, si se trata de aleaciones metálicas; para materiales compuestos, tipo CFRP, γd coincide sustancialmente con la tensión necesaria para desgarrar o separar las fibras de la matriz. El valor óptimo de Gc viene dado por la fórmula:

con la misma notación para el resto de los parámetros, d representa el diámetro de las fibras que poseen una longitud igual a una crítica lc ,

En estas condiciones se obtienen valores de Gc ≈ 107 erg/cm2 – muy parecidos a las de metales- y de tenacidad a la fractura del orden de 40-50 MPa . De todos modos es inferior a la del acero de construcción –Kc ≈ 150 MPa

acero, hormigón, CFRP- son materiales modernos, fabricados con tecnologías que implican mecanismos de refuerzo distintos (vid. Ap. 3.1.). Acero y hormigón dominarán –seguirán prevaleciendo- el mundo de la ingeniería civil y mecánica. Los «composites» se reservarán para aplicaciones muy particulares, en las que el precio no constituye el principal obstáculo. Encuentran, ya dijimos, su principal campo de aplicación en el sector aeronáutico (palas de helicópteros, aletas de compresor, elementos de fuselaje), en aleaciones donde cada kilo de peso «ganado» -perdido- supone un ahorro de 250 a 1.000 $ . Además, es lógico que el precio de los «composites» disminuya; en parte, porque el precio de las fibras lo haga con el aumento de su producción; también, por el desarrollo de tecnologías de fabricación susceptibles de automatización. Se les ofrecerán nuevos mercados y aplicaciones, pero siempre dentro de unos márgenes, fuera de los cuales no podrán competir con otros materiales. Es fácil predecir que, en la actualidad y en un futuro a corto plazo, hormigón, acero, polímeros y aluminio serán y seguirán siendo los materiales estructurales predominantes; y que, buena parte de la investigación, se dedicará a mejorar sus propiedades mecánicas, conformabilidad y tecnologías de ensamblaje. De modo que cualquier pequeña mejora o

ahorro conseguido en la producción y manufactura de un producto fabricado en grandes cantidades puede tener una amplia repercusión en términos económicos. Pensemos en la industria de fabricación de botes –latas- de bebidas en aleaciones de aluminio; supone un total de 120•109 $.Pues bien, cualquier mejora de proceso que supusiera un ahorro del 0,1% –cantidad en principio despreciable- equivaldría a una economía global de 120 millones de dólares U.S.A., cifra muy considerable.

Pero se da, además, la paradoja ya evocada: los Estados dedican más dinero a la investigación de «nuevos materiales» que a la de «materiales tradicionales» cuando estos últimos suponen un 95 % de la demanda en el mercado de materiales. Esta distorsión puede deberse, en parte, a la aparición de nuevos materiales para aplicaciones estrictamente militares –caros- que difícilmente pueden tener –al menos por el momento- aplicaciones civiles de envergadura, que demandan materiales baratos a la vez que fiables. Por ejemplo en U.S.A., durante la década de los 80, el Estado Federal sufragaba el 45 % de los fondos de I + D en materiales, con particular énfasis –el porcentaje era notablemente mayor– en los «nuevos materiales». La situación actual ha variado notablemente; así, los fondos destinados por el Ministerio de Defensa para el desarrollo de materiales y metales avanzados ha sido reducido drásticamente. Hace pocos años, el citado Organismo se ocupaba, no sólo del I + D en materiales, sino, además, de su fabricación y consumo: se abastecía de los productos que investigaba, alguno de los cuales encontraron usos comerciales. Hoy intenta promover, más bien, tecnologías duales –comerciales y militarescon futuro. En U.S.A. se apuesta por la colaboración entre Estado (Laboratorios Nacionales), Departamentos Universitarios e Industria; ésta debe asumir a sus expensas parte de los gastos de I + D, del mismo modo que recoge –como un socio más– los beneficios obtenidos. Muy pocas empresas pueden costear por sí solas la investigación que les interesa –situación modélica hace veinticinco años- y el Gobierno anima, a las que ayer fueron industrias concurrentes, a participar en proyectos comunes, libres de la amenaza de una legislación antitrust. En lo que al papel de la Investigación universitaria se refiere para la mejora de materiales y tecnologías existentes y/o su contribución al desarrollo de las emergentes, deberían tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:

La Investigación básica puede jugar un papel decisivo siempre que esté focalizada a las necesidades de la industria.

La Investigación básica debe desarrollarse en Centros Académicos superiores, financiada y guiada por la industria. La Investigación aplicada debe desarrollarse fundamentalmente en la industria, plantas piloto incluidas.

La Investigación en las Universidades y Departamentos Universitarios debe ser fundamental, a largo plazo, evitando investigaciones “repetitivas” o “rutinarias”, de captación de dinero y a corto plazo.

Los resultados derivados de la Investigación básica deben superar el simple objetivo de la publicación de artículos y publicaciones en congresos. Los investigadores universitarios pueden comunicarse directamente con la industria, favoreciendo la ejecución de acciones y proyectos interactivos.

Por lo demás, en frase del Profesor Pero-Sanz, los materiales no han de ser como personajes pirandellianos en busca de un patrocinador –materiales “en busca de aplicaciones”- sino más bien la respuesta concreta a unas exigencias de servicio o de producción demandadas por la industria y el consumo.

El futuro parece apostar por materiales energéticamente baratos, fácilmente reciclables y utilizables por todo el mundo, que llenen el vacío económico, científico y técnico, actualmente existente, entre los países más industrializados del Hemisferio Norte y aquellos en vías de desarrollo del Hemisferio Sur.

4.- Proyecto ULSAB

Un palpitante ejemplo, que recoge parte de las ideas anteriormente expuestas, acerca de la competición actual entre materiales, se encuentra en la fabricación de carrocerías de automóvil en acero o aleaciones de aluminio. En efecto, la conservación y defensa del medio ambiente es uno de los objetivos marcados por el hombre en este final de siglo. Los fabricantes de automóviles se han visto, por ello, técnica, comercial y ecológicamente

empujados a reducir el consumo de combustible de los vehículos y las emisiones contaminantes: en definitiva a disminuir su peso. El empleo de aleaciones ligeras, de base aluminio podría resultar una solución novedosa: su densidad –2,7 g/cm3-, es casi tres veces inferior a la del acero –7,8 g/cm3-, aunque presenta respecto a este último, atendiendo a criterios o propiedades fundamentales físicas, mecánicas y químicas, las desventajas siguientes:

La resistencia a la penetración –dureza– de los paneles y perfiles de aluminio es inferior a la del acero, por lo que nos veríamos obligados a incrementar su ancho y/o espesor (su peso).

La conformabilidad, aptitud a la embutición, del aluminio es muy inferior a la del acero. Posee mucha mayor tendencia al adelgazamiento y a la estricción. Esta diferencia –basada en la diferente cristalinidad de uno y otro elemento- parece tecnológicamente insalvable. El empleo de aluminio obligaría, además, a un redimensionamiento de los útiles de conformado.

El acero puede envejecerse –incrementar su límite elástico- durante el estufado que sigue a la fase final de pintura (bake hardening). El endurecimiento –envejecimiento artificialde las aleaciones de aluminio más usuales, series 2000 (Al-Cu-Mg) y 6000 (Al-Mg-Si), para lograr las propiedades apetecidas (vid. Tabla 2), requeriría temperaturas y tiempos de tratamiento de 200 ºC y 30 minutos respectivamente, superiores a las de estufado convencional del acero. Por tanto, operaciones extra, costes adicionales y menor productividad.

El módulo de Young del aluminio –70 GPa- es tres veces inferior al del acero –210 GPa-, por lo que la posibilidad de recuperación elástica de piezas estampadas en aleaciones de aluminio es tres veces superior a las fabricadas con acero. Los rechazos aumentan y la productividad disminuye.

El aluminio presenta mayores problemas de soldadura por resistencia que el acero, derivados de su menor punto de fusión –tiempos de soldadura más precisos y cortos-, afinidad por el oxígeno –formación de pieles de alúmina que interfieren la continuidad de la

unión soldada-, mayor conductividad eléctrica y térmica –zonas afectadas por el calor más anchas, mecánicamente deterioradas-; y alta reflectividad óptica, que dificulta su soldadura por rayos láser.

La reciclabilidad del acero y fundiciones empleadas en automoción no presenta mayores inconvenientes, su infraestructura está a punto desde hace varias décadas y no se altera la calidad de las especificaciones empleadas. Por el contrario, el reciclado de las diferentes aleaciones de aluminio –presentes en la estructura y paneles de un automóvil fabricado a partir de este material- plantea problemas de compatibilidad: un aluminio reciclado generalmente es un aluminio degradado; la presencia de Fe, por ejemplo, en cantidades superiores al 0,5 % en la chatarra, origina pérdidas en el proceso de refusión y un estado inclusionario indeseable, micrografía 10.

A pesar de todos los inconvenientes citados, la disminución en peso –de un 30 a un 40 %lograda en coches con carrocería de aluminio, podría definitivamente decantarnos hacia su empleo y utilización intensiva en el futuro. Los mayores costes de materias primas y fabricación, en relación al acero, se verían presumiblemente compensados por el menor consumo de combustible –del 3 al 7 % por cada 10 % de reducción de peso- e impacto medioambiental durante el tiempo de vida del vehículo. En cualquier caso, la inflexión carrocería de aluminio-carrocería de acero, según datos aportados por un fabricante alemán de automóviles, se situaría alrededor de las 25.000 unidades/año. Para series mayores, el precio del automóvil de aluminio se dispararía: el aluminio sólo proporcionaría «movilidad» a los ricos (vid. Tabla 2).

Ante esta patente y ya real competitividad por parte del aluminio en la industria del automóvil, la respuesta de los aceristas no se ha hecho esperar. 32 empresas siderúrgicas – entre ellas ACERALIA (grupo ARCELOR)– pertenecientes a 15 países y bajo el liderazgo de una firma de coches alemana, han puesto en marcha el proceso ULSAB (Ultra Light Steel Autobody), que propone el acero como «material renovador», en un mercado –ya hemos dicho-como el del automóvil, en el que el ahorro energético, seguridad y economía de producto son requisitos indispensables. La Ingeniería del Proyecto considera la carrocería del vehículo como un todo –diseño holístico- más que como una colección o conjunto de modelos y componentes aislados (barqueta, estructura, paneles y refuerzos). Se trata de aunar los diseños aportados por nueve vehículos –actualmente en circulación- ofertados por

fabricantes americanos, europeos y asiáticos para, en una primera fase, conseguir los siguientes objetivos (vid. Tabla 4 adjunta).

Conseguir una reducción significativa de peso en la carrocería, hasta del 35 %, respecto a los automóviles de referencia. Quedaría en unos 200 Kg.

Conseguir los objetivos estructurales y funcionales a continuación citados: rigidez superior a 12.200 N.m/mm; resistencia a torsión superior a 13.000 N.m/grado; modo uno de vibración superior a 40 Hz.

Aportar conceptos de diseño, análisis por elementos finitos, nuevos materiales (aceros) y procesos de conformado, ensamblaje y acabado aplicables a los vehículos del futuro.

Los promotores del Proyecto ULSAB aseguran que su objetivo primordial de ahorro de peso, mantiene la seguridad, tiempo en servicio y economía de los vehículos. Significa, además, el inicio de un conjunto de posibilidades complementarias de reducción de peso en los automóviles. El empleo de otros materiales –como aluminio y aleaciones- aumentaría inevitablemente el coste sin contraprestaciones complementarias reseñables. El vehículo ULSAB ahorraría en materiales –fácilmente reciclables por otro lado-, reduciría emisiones contaminantes y abarataría coste sin detrimento de la seguridad.

Un producto tecnológicamente avanzado

Muy pocas personas piensan que las «simples» latas de bebida son un producto de alta tecnología para un Ingeniero de Materiales. Sin embargo, los requerimientos de diseño son exigentes: deben fabricarse en dos piezas –cuerpo y tapa- evitando soldaduras laterales; ser ligeras, estancas, no tóxicas, resistentes a corrosión y reciclables.

Comentamos, de pasada, en el Apartado 3 la impresionante cifra de negocios que suponía la fabricación de botes en aleación de aluminio. Solamente, en los Estados Unidos, se fabrican cien mil millones de recipientes al año –se consumen diariamente unos trescientos millones-, lo que supone, aproximadamente, un 10 % de la producción anual de aluminio primario. La aleación usualmente empleada es la 3004 -Al, 1 % Mn, 1 % Mg, 0,3 % Si- que permite ser conformada por estirado –drawn and ironing- en una sola operación. Los mecanismos de endurecimiento operativos en esta especificación son: por solución sólida, endurecimiento por precipitación y endurecimiento por deformación en frío, por acritud. Pero quizá el secreto de la fabricación resida más en el recocido final de restauración o recristalización parcial que –para la misma resistencia del producto en forma de chapa- proporciona mayor ductilidad, isotropía y mejor textura –disminuye las orejas de embutición y pérdidas por recortes- que la chapa laminada en frío. Añádase que la calidad superficial observada en el conformado posterior resulta mejor en las chapas restauradas o parcialmente recristalizadas desde este estado que, cuando se emplea una chapa de idéntica dureza –resistencia– a la restaurada o parcialmente recristalizada, pero obtenida directamente por deformación en frío.

Algunos podrían pensar que el aluminio ha terminado por desplazar al acero – hojalata- en la fabricación de envases de refresco, si hacemos caso a los medios usuales de información y artículos técnicos divulgativos. Nada más lejos de la realidad, tanto en los Estados Unidos como en el resto del mundo, donde la competencia entre uno y otro material es cerradísima. Ya comentamos en el Apartado 4 que el aluminio es ligero, pero se conforma mucho peor que el acero y energéticamente resulta mucho más caro; 270 GJ/Tm para el aluminio frente a 17 GJ/Tm para el acero. La Tabla 5 recoge algunas características geométricas y mecánicas de botes fabricados con ambos materiales. De su análisis pueden deducirse algunas consecuencias interesantes:

El espesor del envase de acero es 1,5 veces inferior al de aluminio; luego su peso es doble (densidad tres veces superior).

La reducción de peso conseguida, para un peso neto de bebida de 340 g, no supera el 5%. ¿Puede compensar su mayor precio, semejante disminución de peso, 16 g por envase? La dureza del envase de acero –200 HV- duplica la del aluminio –aproximadamente 100 HV-, lo que explica que la resistencia específica de la aleación de aluminio resulte 1,5 veces

superior a la del acero. Las cargas que podrían soportar los envases, para la relación de espesores referida, serían, al menos teóricamente, superiores en el acero. Los envases, sean de acero o de aluminio, son estructuralmente pequeños «recipientes a presión». Necesitan parte de su solidez para resistir la presión interna ejercida por el CO2 de la cerveza y bebidas refrescantes; y del N2 que se introduce en las bebidas no gaseosas como los zumos de frutas. Pero, aunque la resistencia a compresión de los de acero o de aluminio sea teóricamente muy elevada, la resistencia real al pandeo es mucho más baja pero tres veces superior –al serlo su módulo de Young, para igual esbeltez 3.5– en el envase de acero que en el de aluminio. Este resulta mucho más sensible a los efectos de excentricidad de la carga, abolladuras y defectos laterales, a veces difícilmente observables. En resumen, el envase de aluminio no soporta el peso de una persona; el de acero sí.

El trabajo que nos ocupa trata de las mejoras de nuestro día a día gracias a los experimentos llevados a cabo en el espacio, cuando se han rebasado los límites de la gravedad que nos ata de pies a este, nuestro planeta, el planeta Tierra. Hemos elegido como aplicaciones de las investigaciones espaciales los nuevos materiales que han sido estudiados gracias a las condiciones de "ingravidez" que se dan en los laboratorios espaciales en órbita terrestre. En concreto presentamos tres tipos de materiales: 1. Zeolitas: estos materiales pueden revolucionar, en pocos años, el mundo de la automoción al permitir almacenar hidrógeno en depósitos para coches, que podrá quemarse con el oxigeno del aire para producir energía y dará como único residuo vapor de agua. 2. Vidrios: se han estudiado nuevos vidrios que tendrán muchas aplicaciones en la vida diaria, por ejemplo el ZBLAN, que es mucho más transparente que un vidrio normal, podría revolucionar las comunicaciones con fibra óptica; o los vidrios obtenidos con líquidos supercongelados que posibilitan la fabricación de muchos utensilios –esquíes, palos de golf, componentes de ordenadores, cuchillos, etc.– de gran calidad. 3. Cerámicas: las cerámicas son un conjunto de substancias con un futuro prometedor muy cercano. En este trabajo veremos los avances que permitirán curar algunas cegueras con retinas artificiales de cerámica o la definitiva obtención de alambres de material superconductor a altas temperaturas que ya se está fabricando y que tendrá muchas aplicaciones –transporte de electricidad, trenes de alta velocidad, escáneres MRI, etc. LABORATORIOS ESPACIALES La Estación Espacial Internacional (ISS en inglés) es un laboratorio permanente situado a 390 km de la Tierra donde no se notan los efectos de la fuerza de la gravedad. Tampoco se

notan los efectos de la gravedad en las misiones de los Transbordadores Espaciales norteamericanos cuando están en órbita. Esto tiene curiosas consecuencias: a un astronauta le basta con estornudar para ser propulsado hacia atrás con una fuerza tan intensa como su propio estornudo; la llama de las velas es perfectamente esférica; el agua no forma burbujas al hervir… Pero, curiosidades aparte, esta situación puede ser de gran utilidad para investigar en multitud de campos. En ciencias de la vida la Estación es un laboratorio perfecto para estudiar, por ejemplo, todo lo relacionado con la permanencia prolongada del hombre fuera de la Tierra. ¿Es posible cultivar hortalizas en condiciones de "ingravidez" (tal vez para el autoconsumo de una futura tripulación a Marte)? Y ¿criar animales? En el caso del cuerpo humano, algunas de sus reacciones a la ausencia de gravedad prolongada ya se conocen. Los astronautas saben que, entre otras cosas, sus huesos perderán densidad —algo que combaten a base de ejercicio diario, y que sus fluidos corporales se redistribuirán haciendo que su cara se hinche y sus piernas adelgacen—. También está relacionado con las ciencias de la vida el estudio de las proteínas. En "ingravidez" resulta más fácil hacer crecer cristales de proteínas, lo que a su vez permite, una vez en Tierra, hallar su estructura. Y conocer la estructura de las proteínas puede servir para diseñar nuevos fármacos, para comprender mecanismos básicos del organismo, etc. En física de fluidos pueden obtenerse, entre otras cosas, pistas para aumentar la eficacia de los combustibles de coches y aviones. También en "ingravidez" es posible hacer crecer, por ejemplo, espumas metálicas, materiales muy ligeros y resistentes a la vez, e incluso tejidos. También fabricar vidrios de gran calidad a partir de líquidos supercongelados, cristales líquidos mejor ordenados y con nuevas prestaciones, etc. En física del estado sólido se facilita el estudio de las formaciones de cristales mayores y sin errores, como es el caso de las zeolitas; o se puede descubrir como sintetizar cerámicas en forma de hilos, entre otras muchas innovaciones.   ¿INGRAVIDEZ? La gravedad es una parte tan aceptada de nuestras vidas, que raramente pensamos en ella, a pesar que afecta a todo lo que hacemos. Cada vez que dejamos caer o arrojamos algo, y lo miramos caer al suelo, vemos la gravedad en acción. Infinidad de actividades como andar, sentarnos, dormir sobre una cama, bailar, jugar al fútbol, movernos en coche, etc. no serían posibles sin ella. A pesar que la gravedad es una fuerza universal, hay veces que desearíamos poder desarrollar investigaciones científicas sin su influencia, ya que permitiría poder avanzar en varios campos.

Pero esta gravedad, existente siempre en nuestro planeta, no se pierde del todo, ni mucho menos al estar en órbita a la Tierra como lo están todos los satélites artificiales, la Estación Espacial Internacional (ISS) y los Transbordadores Espaciales norteamericanos. Por ello la expresión "ingravidez" es incorrecta, aunque es utilizada constantemente al traducir las palabras inglesas "weightless" y "weightlessness" como "ingravidez" y "falta o ausencia de gravedad" que, sin duda alguna, desemboca en grandes equívocos. Tomando como ejemplo la ISS (ver foto 2) vemos que no es correcto utilizar la expresión "ingravidez", ya que dicha estación se encuentra orbitando a la altura de 390 km sobre el nivel del mar (ver fotografía adjunta), y en esa situación la gravedad existente vale 8,69 m/s2, tan sólo un 11,4 % menor que la que tenemos aquí, en la superficie de la Tierra, que es de unos 9,81 m/s2. Para demostrarlo basta aplicar la ecuación del campo gravitatorio, deducida de la gravitación universal de Isaac Newton, que en módulo es:

En nuestro caso sustituimos M por la masa de la Tierra, 5,97•1024 kg; r por el radio de la órbita de la ISS (radio de la Tierra más altura), 6,77•106 m; y la constante de gravitación universal, G, por 6,67•10–11 N•m2/kg2:

Y es que si allí no hubiera cierta gravedad la ISS, que viaja a más de 26 000 km/h, y que en consecuencia realiza una vuelta alrededor de la Tierra cada 92 minutos, saldría disparada hacia lo más profundo del espacio para no regresar jamás. La situación de los objetos y personas de la ISS que se encuentran en órbita alrededor de la Tierra es de caída libre (ver foto 3). Esta situación es similar a la de un ascensor cayendo desde un piso muy elevado. Los pasajeros que van dentro no pueden medir su propia masa con una balanza al no poder apoyarla en un suelo firme, ya que no hay nada que se oponga a la fuerza de la gravedad, que aquí en la Tierra todo lo rige. La puesta en órbita fue explicada por Isaac Newton en un experimento imaginario en su tratado El Sistema del Mundo de 1728. Él imaginó una montaña muy alta desde donde se lanzaban piedras (en la figura 4 el punto V). Veamos como lo explica el propio Newton: Una piedra lanzada, sometida a la acción de su gravedad, se desvía de la trayectoria rectilínea y, describiendo una curva en el aire, cae al fin al suelo; si se lanzase con mayor velocidad, llegará más lejos. Aumentando la velocidad, podría lograrse que describiera un arco de una milla, dos, cinco, cien, mil; y por fin, al ir más allá de los límites de la Tierra, que no cayese ya en el suelo [...] Y por la misma razón por la que el cuerpo con menor velocidad describe el arco menor VD, y el de velocidad mayor describe el arco mayor VE, y si se aumenta la

velocidad llega aún más lejos hasta F, y aún más lejos hasta G; finalmente este mismo, si se le aumenta la velocidad continuamente, sobrepasará el monte desde donde fue lanzado.(9) Las naves que orbitan la Tierra, en lugar de ser lanzadas desde lo alto de una montaña, son lanzadas por un cohete que las impulsa fuera de la atmósfera de la Tierra en una trayectoria que se curva sobre la misma, hasta alcanzar una determinada velocidad y altura, consiguiendo el mismo efecto del experimento imaginario de Newton. Es decir, la ISS va cayendo a medida que la superficie de la Tierra se va curvando bajo ella y, por ello, nunca impacta contra la Tierra. Es posible conseguir breves períodos de estado de caída libre en la Tierra dejándose caer desde torres altas –por ejemplo en parques de atracciones– o utilizando aviones en vuelos parabólicos. Ahora podemos decir que la traducción correcta de "weightless" y "weightlessness" al español es "falta de peso" y "estado de falta de peso", conceptos también confusos y equívocos, ya que el peso, que se define como una fuerza que resulta del producto de la masa por la aceleración de gravedad, de acuerdo con la 2ª Ley de Newton (fuerza es el producto de una masa por una aceleración), no puede desaparecer mientras exista gravedad. Es decir:

El valor que proporciona una balanza es el de una masa y no de un peso. Si ponemos un objeto (ver imagen 5) sobre una balanza y ésta indica 2,2 kg, conociendo que la gravedad en la superficie de la Tierra es de 9,81 m/s2, el peso del objeto sería 21,6 N. Este peso ejerce una fuerza hacia abajo sobre el plato de la balanza y la balanza produce una fuerza de reacción, por la 3ª Ley de Newton, sobre el objeto que se pesa, quedando en equilibrio, sin movimiento. Es una fuerza de igual magnitud y de sentido contrario. En este ejemplo, si el peso es de 21,6 N la fuerza de reacción sería será de 21,6 N, pero actuando en el sentido contrario. Por lo tanto, los astronautas en el espacio, tienen peso y gravedad, de lo que carecen es de fuerza de reacción de alguna superficie, esto es, de la fuerza que comúnmente se opone al peso en la Tierra, la fuerza normal. Y al estar en caída libre tienen la sensación de carecer de peso. Este ambiente de caída libre da a los investigadores una oportunidad única para estudiar los estados fundamentales de la materia –sólidos, líquidos y gases– y las fuerzas que los afectan.

ZEOLITAS

Pedro Duque durante su estancia en la Estación Espacial Internacional (ISS) realizó un experimento, el NANOSLAB, centrado en las zeolitas (ver foto 7). Las zeolitas son sólidos de estructura cristalina, de aspecto arenoso y llenos de poros microscópicos. Son como esponjas moleculares. En su forma cristalina, las zeolitas están constituidas por una red de túneles y celdas interconectadas, de forma similar a un panal de miel (ver figura 6). En la naturaleza se encuentran cerca de 50 tipos de zeolitas, que son un recurso minero muy apreciado, con diferentes composiciones químicas y estructuras cristalinas. Cualquiera que tenga un gato ha visto alguna: actúan como absorbentes del olor en las cajas para gatos. Pero además los químicos sintetizan en el laboratorio distintas clases de ellas porque tienen múltiples aplicaciones –por ejemplo como catalizadores– según sea el tamaño de sus poros. El nombre de zeolita procede de las palabras griegas "zeo" (hervir) y "litos" (piedra), literalmente significa "las rocas que hierven". Esto es debido a que las zeolitas liberan sus contenidos cuando son calentadas. En esta ocasión Duque realizó un experimento que trata de analizar el proceso de formación de las zeolitas a partir de dos materiales separados, hidróxido de amonio, NH4OH y silicato de aluminio, Al2(SO4)3. Las zeolitas pueden tener una importante aplicación en un futuro próximo, podrán absorber hidrógeno, H2, que será empleado como combustible para los coches. Imagínese deteniéndose en una estación de servicio, introduciendo la pistola del surtidor de combustible en el depósito y que el combustible que fluye dentro de él es hidrógeno. Es incoloro, inodoro y el residuo de la combustión del hidrógeno es vapor de agua, absorbida de forma rápida y segura por el medio ambiente y sin la emisión de dióxido de carbono, CO2, causante del calentamiento de la Tierra debido al efecto invernadero. Un kilogramo de hidrógeno proporciona tres veces más energía que un kilogramo de gasolina. Y puede obtenerse del agua del mar. Recordemos que una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, H2O, por tanto el 11 % del agua del mar es hidrógeno. No es de extrañar que los científicos estén buscando la manera de hacer del hidrógeno un combustible práctico. Docenas de empresas, incluyendo a todos los mayores fabricantes de automóviles, han diseñado motores que queman hidrógeno, que son muy semejantes a los motores de combustión interna que tenemos actualmente en los coches. Las celdas de combustible – otra posible fuente de energía para los coches– también emplean hidrógeno. Para hacer que estas tecnologías funcionen en el mundo real, los científicos deben encontrar la manera de almacenar y transportar hidrógeno de forma segura y a un costo comparable al de la gasolina. No es fácil: el hidrógeno gaseoso es ligero y volátil. Las pequeñas moléculas de H2 pueden pasar a través de las fisuras y uniones, y dispersarse rápidamente. El hidrógeno se difunde a

una velocidad cuatro veces mayor que el gas metano y diez veces mayor que los vapores de gasolina. Esto es importante para la seguridad porque una fuga se diluye rápidamente y puede parecer inocua. Para cualquiera que desee almacenar el gas esto es una continua preocupación. El hidrógeno líquido es más compacto y fácil de contener, pero también puede resultar problemático. El hidrógeno se licua a una temperatura aproximada de 20 K (–253 oC). Mantener un depósito de combustible de hidrógeno líquido requiere el apoyo de un potente sistema criogénico, que puede no ser práctico para coches. El hidrógeno líquido es lo suficientemente frío como para congelar el aire. Esto podría causar que las válvulas se tapen y que esto genere un incremento inaceptable de la presión. El material aislante para prevenir estos problemas se agrega al peso del sistema de almacenamiento. ¿Cómo podemos superar estos obstáculos? Es fácil: usando zeolitas. Un tanque de combustible diseñado con zeolitas debe ser capaz de atrapar y de retener el gas hidrógeno en un estado casi líquido, sin una potente criogenia. Un depósito de combustible de zeolitas de temperatura controlada puede funcionar agregando iones cargados negativamente a la zeolita. Estos iones actúan como tapones, justo como los tapones de un frasco de tinta; bloqueando los poros de la zeolita cristalina. Mediante el ligero calentamiento del depósito pueden hacerse salir los iones de los poros. Luego se puede llenar la zeolita con hidrógeno. Finalmente disminuyendo la temperatura al nivel normal los iones se deslizarán a sus lugares y sellarán las salidas. Las zeolitas que existen ahora pueden almacenar una cierta cantidad de hidrógeno, pero no la suficiente. Las mejores zeolitas existentes tienen capacidad para el hidrógeno sólo para un 2% o un 3% de su peso. Si se obtuvieran cristales de zeolita que almacenasen del 6% al 7% de su propio peso en hidrógeno, un depósito de zeolita lleno de hidrógeno podría ser competitivo frente a un depósito ordinario lleno de gasolina. Así se podría disponer de un depósito de zeolita de unos 42 kg de peso que se llenaría con unos 3 kg de hidrógeno y sería equivalente a un depósito de gasolina actual. En ambientes de muy baja gravedad, los materiales se juntan más lentamente, permitiendo que los cristales de zeolita en formación sean más grandes y más regulares (ver foto 9). Los cristales de zeolita producidos en la Tierra son pequeños, aproximadamente de 2 a 8 micrones de diámetro –cerca de una décima parte del diámetro de un cabello humano–. Los experimentos realizados en el Transbordador Espacial y en la ISS permitieron sintetizar zeolitas 10 veces mayores y mejor organizadas internamente. El objetivo de los experimentos en los laboratorios espaciales no es la producción en masa de cristales de zeolita ya que no es económico, sino averiguar si es posible cultivar cristales de zeolita que puedan alcanzar el umbral del 7%. Si es así en el espacio también se

descubrirá la manera de sintetizar estas zeolitas en Tierra. Por tanto las zeolitas pueden ser la clave del salto tecnológico hacia el combustible de hidrógeno permitiendo la progresiva reducción de la dependencia de combustibles fósiles que tendrá claros beneficios medioambientales: la reducción del efecto invernadero.   VIDRIOS Los artesanos en la Tierra han fabricado vidrios (ver foto 10) durante milenios calentando a más de 1 100 oC una mezcla de arena, piedra caliza y sosa para, finalmente, enfriar el líquido incandescente con mucho cuidado. Cuando pensamos en el vidrio imaginamos ese material transparente en las ventanas. Pero el vidrio ni tiene por qué ser transparente, ni se encuentra siempre en las ventanas. Entre los científicos hay una definición diferente: vidrio es un material sólido con una estructura interna amorfa. En los sólidos, los átomos están normalmente dispuestos según patrones regulares y predecibles, como los ladrillos en una pared (estado cristalino). Pero si los átomos están revueltos de una manera desorganizada, como los ladrillos amontonados en el suelo, eso es el vidrio (ver figura 11). El vidrio de ventana que nos es tan familiar está formado principalmente por sílice, SiO2. Esencialmente es arena fundida. Pero en teoría, un fundido de cualquier composición química puede producir un vidrio con tal de que el fundido pueda ser enfriado con la suficiente rapidez como para que los átomos no tengan tiempo de colocarse en patrones, o cristales. Si se desean fabricar vidrios de alta calidad se presenta un problema: la fundición –el líquido fundido del cual se forma el vidrio– debe de ser manejada dentro de alguna clase de recipiente y a altas temperaturas los vidrios fundidos son muy corrosivos contra cualquier tipo de contenedor conocido. Puesto que el material fundido ataca y disuelve el recipiente el vidrio se contamina. En ambientes de caída libre, en cambio, no se necesita ningún recipiente. Gotas líquidas de 0,6 cm de diámetro pueden sostenerse mediante la presión de ondas sonoras emitidas por un levitador acústico. Así se puede fundir y enfriar y volver a fundir y enfriar una gotita de material sin que ésta esté en contacto con algún otro objeto y se producen vidrios de calidad superior. Por otra parte en órbita los líquidos fundidos no cristalizan tan fácilmente como lo hacen en la Tierra. Es más fácil la formación del vidrio. Por tanto, no solamente se puede hacer vidrio menos contaminado, sino formarlo a partir de una variedad más amplia de fundidos. Para las ventanas el sílice es adecuado, pero el vidrio hecho de otras composiciones químicas ofrece una multitud de propiedades inesperadas. Por ejemplo, hay "vidrios

bioactivos" que se pueden usar para reparar huesos humanos. Esos vidrios eventualmente se disuelven una vez que han cumplido con su finalidad. También existen vidrios que son tan insolubles dentro del cuerpo que están siendo utilizados para tratar el cáncer mediante la distribución de altas dosis de radiación directamente en el lugar del tumor. Otro ejemplo: el vidrio hecho de metal puede ser muy duro y resistente a la corrosión. Y no se necesita moldearlo mecánicamente en las precisas e intrincadas formas necesarias, digamos, para un motor. Se puede simplemente moldear o vaciar. Veamos algunos vidrios que se han estudiado en el espacio. ZBLAN El ZBLAN es un vidrio de fluoruro fabricado con una mezcla de zirconio (Zr), bario (Ba), lantano (La), aluminio (Al) y sodio (Na), que es cientos de veces más transparente que el vidrio de sílice. Sería excepcional para fibras ópticas –conductos que permiten transportar la luz en su interior y transmitir información entre puntos distantes–. Una fibra de ZBLAN sería tan transparente que un rayo de luz que entre por un extremo en Madrid, podría llegar a otro extremo tan lejano como Los Ángeles en los Estados Unidos. Con las fibras de vidrio de sílice actuales usadas en telefonía, la señal luminosa se dispersa a lo largo del camino. Desdichadamente, las fibras de vidrio de ZBLAN son muy difíciles de producir en la Tierra ya que los fundidos tienden a cristalizar antes de que se forme el vidrio (ver figura 12). La razón para esto es que la gravedad produce la convección o mezcla en el fundido. En efecto, la gravedad lo "revuelve" y, en un proceso conocido como dilución por corte, el fundido se vuelve más fluido. En los fundidos que son más fluidos los átomos se mueven más rápidamente, por lo cual pueden disponerse en arreglos más geométricos con mayor rapidez. En fundidos más espesos y viscosos, los átomos se mueven más lentamente. Es más difícil que se formen patrones regulares y por consiguiente, es más probable que el fundido forme un vidrio. En ambientes de caída libre los fundidos deben ser más viscosos de lo que son en la Tierra (ver figura 13). Eventualmente se podrán utilizar las lecciones que se aprendan en el espacio con el ZBLAN y otros vidrios (metálicos, bioactivos, etc.) para aplicarlas a la producción de vidrio en tierra. Con el ZBLAN podrían fabricarse fibras ópticas y lentes de gran calidad para telescopios, microscopios, binoculares, cámaras fotográficas, cámaras de vídeo, lectores de DVD, etc. Las posibles aplicaciones siguen y siguen... lo que demuestra, tan claro como el cristal, el valor de esta investigación. LÍQUIDOS SUPERCONGELADOS Evitando la congelación normal, se puede conseguir que un líquido se transforme en distintas clases de sólidos. En la congelación normal, las moléculas del líquido se colocan

ordenadamente en una red cristalina, como soldados en formación. Es así como se forman el hielo, los metales normales, y de hecho la mayoría de los sólidos. Los líquidos supercongelados se solidifican de forma diferente. Con el enfriamiento, se espesan y eventualmente dejan de fluir. El resultado es un vidrio. Existe un gran potencial para los productos desarrollados a partir de los líquidos supercongelados, pero son muy difíciles de fabricar ya que son delicados e inestables. El líquido tiende desesperadamente a cristalizarse como un sólido normal. Todo lo que necesita es un lugar donde comenzar la cristalización –tal como la superficie cristalina de la pared de un contenedor o hasta una mota de polvo– y el líquido de pronto se congelará en un sólido. A pesar de las dificultades, fabricantes en tierra han conseguido hacer algunos productos a partir de estos líquidos: componentes de computadores, palos de golf, raquetas de tenis, cuchillos, esquíes, cascos, etc. (ver figura 14). Estos productos son sólo el principio. Cuando los ingenieros aprendan más acerca de la física básica y propiedades de los fluidos supercongelados, podrán mejorarlos aun más. Es aquí donde los experimentos espaciales jugarán un papel preponderante y se está realizando un esfuerzo importante. Ello es debido a que en caída libre es posible estudiar los fluidos sin mantenerlos en contenedores que podrían catalizar cristalizaciones prematuras.   CERÁMICAS Recientemente nos hemos visto invadidos por una serie de nuevos materiales como el Kevlar, la fibra de carbón, compósitos de carbón, superconductores, zirconia, etc. La gran mayoría de estos materiales se pueden considerar como materiales cerámicos y que por lo tanto en nuestra mente, acostumbrada al concepto cerámica –como son nuestras vajillas, jarros, etc. (ver foto 15)–, sinónimo de frágil y mal conductor, tanto del calor como de la electricidad, no concebimos que estos materiales puedan tener mucha oportunidad de competir en un mundo en el que se necesita no sólo que sean ligeros sino además resistentes al impacto, a la flexión, al choque térmico, etc.; sino que además, algunos de ellos sean capaces de conducir la energía eléctrica sin presentar resistencia al paso de ella. Las nuevas cerámicas –alúmina, circonio, carburo de silicio, entre otras– son ahora más duras, ligeras y resistentes al calor, al óxido y la corrosión. Además resultan más baratas, pues la base de su fabricación –arenas, arcillas, etc.– se encuentran de manera abundante en la naturaleza. El secreto de estas nuevas cerámicas reside en los cambios que experimentan durante la cocción: las enormes presiones y altas temperaturas aumentan su densidad, así de esta manera eliminan poros, grietas y defectos internos. Para aumentar este endurecimiento, se modifican las proporciones de sus componentes y se ajustan las

condiciones del proceso de fabricación, para integrar las moléculas en una estructura tan homogénea como sea posible. Las moléculas se ordenan mediante aditivos (se dopan), manteniendo las impurezas en una proporción menor a una parte por millón. El resultado pueden ser cuchillos y tijeras que mantienen un filo casi diamantino y que pueden durar años sin necesidad de volverlos a afilar, también tazas o recipientes que no se rompen aunque las arrojemos con todas nuestra fuerza contra una pared de ladrillo. Estos nuevos materiales también se están utilizando en la industria automotriz, principalmente en los Estados Unidos y el Japón, y ya está a la vuelta de la esquina el motor de cerámica, en la que una de sus principales ventajas es la de operar a más altas temperaturas y por lo tanto más eficientes al quemar los combustibles. Asimismo, se están usando en el sistema de escape de los gases (cordierita) para la depuración catalítica de estos; sondas de óxido de circonio para medir la composición de los gases y filtros cerámicos que reducen las emisiones de hollín en los motores diesel. En la medicina se están dando aplicaciones que tienen un futuro brillante. Un ejemplo de ello y que compite con cualquier otro material como el titanio, por ejemplo, se da en las prótesis. Hasta ahora el titanio es uno de los materiales más ampliamente usado en este campo, no sólo por su alta resistencia, sino además por ser ligero y ser casi inerte en el cuerpo humano. Sin embargo, presenta el inconveniente de que debido a la fricción, este tiene una vida útil limitada y eventualmente se tiene que reemplazar. Los materiales cerámicos pueden llegar a imitar a la naturaleza y este tipo de problemas pueden ser olvidados y de esta manera brindar una mejor forma de vida a la gente discapacitada. Veamos algunas cerámicas que se han estudiado en el espacio. RETINAS ARTIFICIALES En la parte posterior del interior de un ojo humano sano encontraremos millones de bastones y conos. Son las celdas solares biológicas de la retina (ver figura 16), capaces de convertir la luz en un impulso eléctrico que viajará a lo largo del nervio óptico hasta el cerebro, donde se forma la imagen. Sin ellos, estamos ciegos. Así es, mucha gente es ciega –o ha quedado ciega– debido a fallas en el funcionamiento de bastones y conos. La retinitis pigmentosa y la degeneración macular son dos ejemplos de esta clase de enfermedades. La retinitis pigmentosa tiende a ser hereditaria y puede hacerse presente a temprana edad, mientras que la degeneración macular afecta principalmente a los ancianos. Juntas, estas enfermedades afectan a millones de personas; los efectos de ambas enfermedades son graduales y pueden conducir a la ceguera total. Algunos científicos experimentan con delgadas películas fotosensibles de cerámica, que reaccionan a la luz en forma parecida a como lo hacen los bastones y conos. Piensan que

combinaciones de este tipo de películas podrían ser implantadas en ojos humanos, para recobrar la visión perdida. La mayor parte de los intentos realizados hasta el momento se han basado en fotodetectores de silicio, Si. Pero el silicio es tóxico para el cuerpo humano y reacciona desfavorablemente con los fluidos del ojo. Sin embargo las investigaciones que se han realizado en el espacio han permitido fabricar detectores cerámicos. Estos detectores son películas delgadas, formadas átomo por átomo y capa por capa sobre un substrato que tienen mejores propiedades ópticas. Se sintetizan películas delgadas de óxido, utilizando el oxígeno atómico presente en la órbita baja de la Tierra como agente oxidante natural. Los detectores de cerámica son muy semejantes a las películas ultradelgadas que se utilizan en los chips de los computadores modernos. Los conjuntos son fijados en una estructura hexagonal, imitando la forma como se ordenan los bastones y conos que deberán remplazar. La distribución natural de los detectores resuelve otro problema que afectaba la anterior investigación con silicio: la obstrucción del flujo de nutrientes en el ojo. Todos los nutrientes que alimentan el ojo fluyen de atrás hacia adelante. Si se implanta una estructura grande e impenetrable, como los detectores de silicio, en el ojo, los nutrientes no pueden circular y el ojo se atrofiará. Los detectores de cerámica son unidades individuales con un tamaño de cinco micrones (el tamaño exacto de los conos), que permiten que los nutrientes fluyan a su alrededor (ver figura 17). Las retinas artificiales construidas en el espacio consisten en 100 000 minúsculos detectores de cerámica, cada uno con 1/20 del grueso de un cabello humano. Este conjunto es tan pequeño que los cirujanos no pueden manipularlos sin dañarlos. Por esta razón, los detectores son adheridos inicialmente a una película de polímero con un tamaño de un milímetro por un milímetro. Unas dos semanas después de la inserción en el ojo, la película de polímero se disuelve dejando libres los detectores. Los científicos aún no están seguros sobre cómo el cerebro interpretará los voltajes poco usuales de los bastones y conos artificiales. Creen que el cerebro eventualmente se adaptará. Sin embargo, puede que un lento proceso de aprendizaje sea necesario, semejante a la forma en que los niños pequeños aprenden a distinguir formas y colores por primera vez. En cualquier caso será un gran avance que permitirá a millones de personas ciegas recobrar parte de su capacidad visual en los próximos años. SUPERCONDUCTORES Los superconductores son materiales que no presentan resistencia al paso de la corriente eléctrica. En teoría, un aro de alambre de superconductor podría transportar una corriente circulante para siempre, sin necesitar nunca una fuente de poder para mantenerla en

movimiento. En los conductores normales, tales como el alambre de cobre, los átomos del cobre impiden el libre flujo de los electrones, absorbiendo la energía de la corriente y desperdiciándola como calor (efecto Joule). Los primeros superconductores fueron descubiertos en 1911 y eran metales simples como el mercurio y el plomo. Eran conductores ordinarios a temperatura ambiente, pero se convertían en superconductores cuando la temperatura caía hasta unos pocos grados (3 K) sobre el cero absoluto. Estos superconductores eran demasiado fríos para muchas aplicaciones prácticas. Desde entonces los investigadores han estado intentando averiguar como hacer sustancias superconductoras a temperatura ambiente (aproximadamente 273 K). Los superconductores de alta temperatura operan alrededor de los 100 a 150 K. Eso es muy frío comparado con el aire que nos rodea, pero mucho más cálido que los superconductores originales de 1911. Por eso los llamamos superconductores de alta temperatura. Pocas tecnologías han disfrutado alguna vez de una celebridad similar a la de una estrella de rock, como la que los superconductores recibieron en la década de los años 1980. Los titulares a lo largo del mundo anunciaron con bombos y platillos el descubrimiento de superconductores de “alta temperatura” (HTS, por sus siglas en inglés), y tanto los medios como los científicos por igual hablaban con entusiasmo acerca de las maravillas que podríamos esperar en un futuro cercano gracias a esta nueva y prometedora tecnología. Trenes levitantes viajando a 500 km/h, computadores ultrarrápidos, y una electricidad más barata y más limpia serían apenas el comienzo de su larga e ilustre carrera. Pero hubo problemas. El problema principal fue aprender a hacer alambres con este material. Los superconductores están hechos de cerámica, la misma clase de material de que están hechas las tazas de café. La cerámica es dura y quebradiza. Encontrar la forma de hacer alambres largos y flexibles con ella iba a ser muy difícil. El llamado alambre HTS de “primera generación” era relativamente costoso: de 5 a 10 veces el costo del alambre de cobre. Más aún, la cantidad de corriente que podía transportar estaba muy lejos de su potencial: apenas 2 o 3 veces la del cobre, contra un potencial más de 100 veces mayor. Ahora, gracias a años de investigación que incluyen experimentos espaciales, esto está a punto de cambiar. Se está buscando un alambre HTS de “segunda generación” que obtenga un aumento de capacidad 100 veces mayor que la del cobre y cuya producción cueste igual a la de este metal. Básicamente, el alambre se forma haciendo crecer una fina película del superconductor, de solamente unos pocos micrones (milésimas de milímetro) de espesor, sobre una base flexible. Este bien conocido método de producción fue mejorado en parte gracias a los experimentos desarrollados en el Transbordador Espacial para aprender sobre

el crecimiento de las películas delgadas en el vacío extremo del espacio. Se aprendió cómo hacer crecer películas delgadas de óxido de alta calidad en estos experimentos, y se ha utilizado en los laboratorios terrestres para mejorar la calidad de las películas superconductoras (ver figura 18). Las aplicaciones son múltiples: • Hoy en día, alrededor del 6 al 7% de la electricidad generada se pierde a lo largo de su camino hacia los consumidores, debido en parte a la resistencia de las líneas de transmisión. Si se reemplazaran las líneas con alambre superconductor la eficiencia de las instalaciones aumentaría, y esto significaría un gran avance en el camino hacia la reducción de las emisiones de gases de invernadero. • La nueva industria del tren de levitación magnética daría también la bienvenida a la disponibilidad de un alambre HTS más barato y de mayor calidad. • El sistema de barrido (escáner) MRI, una poderosa herramienta para el diagnóstico médico, utiliza electroimanes superconductores para generar imágenes detalladas de los tejidos corporales. La mayoría de las máquinas MRI actuales requieren el costoso helio líquido para enfriar su alambre superconductor de baja temperatura. • La NASA está investigando el uso de superconductores en el espacio. Por ejemplo, los giróscopos que mantienen orientados a los satélites podrían utilizar cojinetes sin fricción hechos con imanes superconductores, mejorando la precisión de los satélites. Los motores eléctricos a bordo de las naves espaciales podrían, de igual manera, tener apenas un cuarto o un sexto del tamaño de los motores no superconductores, ahorrando un volumen y peso considerable en el diseño de las mismas. • Si alguna vez establecemos una base en la luna, los superconductores serían una elección natural para la generación y transmisión eficiente de energía, ya que la temperatura ambiente llega a descender a los 100 K (–173 ºC) durante la noche lunar, justo la temperatura correcta para la operación del HTS. Y durante un viaje de meses con destino a Marte, una máquina MRI “de mesa” hecha posible gracias al alambre HTS sería una poderosa herramienta de diagnóstico para ayudar a asegurar la salud de la tripulación. En los próximos años, la fabricación de estos nuevos superconductores se traducirá en mejoras en docenas de industrias, desde la generación de electricidad hasta el cuidado médico. Maravillas del carbono:

El carbono puro puede adoptar las formas más diversas: el diamante, los nanotubos de carbono o el grafeno, por ejemplo, poseen unas características fisicoquímicas únicas. Por si fuera poco, cada vez hay más indicios que apuntan a la existencia de otra estructura cristalina que añadir al catálogo de maravillas del carbono. La nueva variedad fue observada por vez primera en 2003. Ese año, un grupo de investigadores aplicó sobre una muestra de grafito una presión elevada a temperatura ambiente. Al sufrir la compresión, el grafito, que se compone de capas de átomos de carbono apiladas unas sobre otras, comenzó a asumir una forma desconocida: un híbrido entre la configuración del grafeno y la del diamante. Sin embargo, la naturaleza exacta de esta nueva forma del carbono aún se desconoce. Dos simulaciones por ordenador recientes sugirieron que el grafito comprimido en frío quizá contuviese cristales de una estructura denominada tetragonal centrada en el cuerpo (bct, por sus siglas en inglés), además de otro tipo llamado carbono-M. En la estructura bct, grupos de cuatro átomos se disponen en cuadrados, los cuales se apilan de tal manera que cada uno de ellos forma enlaces químicos con cuatro cuadrados de la capa superior y otros cuatro de la capa inferior. Un equipo de investigadores dirigido por Hui-Tian Wang, de la Universidad Nankai de Tianjin, en China, mostró que, durante la compresión en frío, la transición al carbono bct libera energía. Ello apunta a que dicha transición podría ocurrir en el mundo real. En otra simulación de un equipo japonés y norteamericano, el carbono bct producía patrones de difracción de rayos X similares a los que se vieron en el año 2003. Wendy L. Mao, de la Universidad de Stanford y participante del descubrimiento de 2003, afirma que la correspondencia entre la simulación y el experimento era bastante buena. Pero, a pesar de todos estos indicios, determinar si el carbono bct existe o y si puede ser sintetizado en estado puro es aún una tarea pendiente para los físicos experimentales. El carbono, que de acuerdo con su estructura cristalina es capaz de tomar la forma del grafito o del diamante, también puede convertirse en materiales con cualidades únicas que de a poco empiezan a reemplazar a gran escala a los materiales convencionales, como por ejemplo: Fibras de carbono La fibra de carbono es el desarrollo más reciente en el campo de los materiales compuestos siguiendo la idea de que uniendo fibras sintéticas con varias resinas, se pueden lograr materiales de baja densidad, muy resistentes y duraderos. La fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pero ahora, al bajar de precio, se ha extendido a otros campos: la industria del transporte, aeronáutica, al deporte de alta competición y, últimamente encontramos la FC hasta en carteras de bolsillo y relojes. La FC está compuesta por muchos hilos de carbono en forma de hebra. Existen muchas clases de FC con propiedades diversas, adaptadas a muchas aplicaciones. Otras propiedades muy apreciables en la fibra de carbono son la resistencia a la corrosión, al fuego e inercia química y la conductividad eléctrica. Ante variaciones de temperatura conserva su forma. Es un caso común de metonimia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte: el nombre de las FC que refuerzan la matriz de resina. La fibra de carbono es un polímero convertido en fibra. En la mayoría de los casos, las FC permanecen como carbón

no grafítico. El término fibra de grafito solo está justificado, cuando las FC han sido sometidas a un tratamiento térmico de grafitización (2000-3000 ºC),que les confiere un orden cristalino tridimensional, observable mediante rayos X. La cristalografía de rayos X nos permite conocer la estructura exacta de cada tipo de FC. Nos resulta extraño, pero nos recuerda mucho al grafito: una estructura hexagonal. El grafito, la mina de lápiz, es todo lo contrario: blando y frágil. Es un alótropo del carbono. A nivel atómico no podemos comprender las diferencias entre la fibra de carbono y el grafito, pero la estructura es diferente: observamos muchos cambios en la superposición de las fibras y las cintas en la FC y en el grafito. El grafito tiene una estructura plana triangula con enlaces triples y queda un electrón libre. Este electrón libre explica que el grafito es una de las pocas estructuras no metálicas que conducen la electricidad. La fibra de carbono también es conductora. La fibra de grafito cristaliza en el sistema exagonal,el panal de abeja. La mayoría de las fibras no son de grafito sino de carbono,obtenidas a menor temperatura. Examinar la fibra de carbono es estudiar el carbono. Es sin duda el más versátil de los elementos que conoce el hombre, como podemos ver por el hecho de que es la base de la vida en el planeta. El carbono forma parte de toda la química orgánica y de 20 millones de moléculas conocidas, de las cuales el 79 por ciento las clasificamos como orgánicas. El átomo de carbono tiene 6 electrones, con la particularidad de que puede formar 4 enlaces covalentes con otros átomos, con lo cual adquiere una geometría de tetraedro, que nos recuerda al diamante. El carbono se puede combinar con muchos elementos como: N, S, O, Cl, Br y P que son estables termodinámicamente, y con otros átomos de carbono con uniones muy fuertes (el diamante) y puede formar cadenas de carbonos de gran longitud. Síntesis de la fibra de carbono Un método común de obtener filamentos de carbono es la oxidación y pirólisis térmica del PAN (poliacrilonitrilo), un polímero usado para crear muchos materiales sintéticos. Como todos los polímeros, el PAN forma largas cadenas de moléculas, alineadas para hacer el filamento continuo. Cuando se caliente el PAN en correctas condiciones de temperatura, las cadenas PAN se juntan lado a lado, para formar cintas de grafeno. El precursor más usado para obtener la fibra es el PAN (poliacrilonitrilo).Es el resultado de los trabajos de Shindo, a principio de los años 60 en Japón, posteriormente continuados por Watt, en Inglaterra y Bacon y Singer en EE.UU.. Normalmente se mezcla el PAN con algo de metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo. El PAN o su copolímero es hilado utilizando la técnica de hilado húmedo. También se emplea la técnica de hilado fundido a veces. El primer paso es estirar el polímero de forma que quede paralelo a lo que será el eje de la fibra y se oxida a 200-300 ºC en aire, un proceso ,que añade oxígeno a la molécula de PAN y crea la estructura hexagonal. El polímero que antes era blanco, ahora es negro. El segundo precursor es una mesofase de la brea-alquitrán (petroleum-pitch y coal-pitch). La mesosfase líquida cristalina de alquitrán se utiliza para obtener fibras de alto módulo. Petróleo, carbón mineral y policloruro de vinilo son las fuentes comunes del alquitrán. Desde 1980 se obtienen FC a partir de breas de mesofase de alto módulo para aplicaciones que requieren fibras de muy altas prestaciones. Finalmente recordemos a la celulosa, pero es menos empleada. Las fibras basadas en el PAN tienen diámetros que oscilan entre 5 y 7

micras. Y las del alquitrán 10-12 micras. Para ganar una regata, hace falta que el casco(el flotador)sea lo más ligero posible.De ahí la necesidad de un casco con fibra de carbono.Abajo,la orza de plomo,contrapesa a la vela,y equilibra al velero La FC se clasifica por el número de filamentos, en miles, de que consta la hebra. Una FC 3k (3000 filamentos)es 3 veces más resistente que una de solo 1k, pero también pesa 3 veces más. Carbonización Para conseguir una fibra de alta resistencia se recurre al tratamiento térmico de carbonización: el PAN se calienta a 2500-2000 ºC en atmósfera sin oxígeno, se alinean las cadenas del polímero hasta formar hojas de grafeno, cintas delgadísimas ,bidimensionales, y se logra una resistencia a la tracción de 5.650 N/mm2. La naturaleza nos da lecciones en el uso de materiales compuestos. Grafitización Si calentamos el PAN a 2500-3000 ºC conseguimos la resistencia máxima de la FC: 531 000 N/mm2. Ahora es el momento de tejer la fibra, para formar láminas y tubos, que serán luego impregnados en una resina epoxi en un molde. Una vez la resina curada, endurecida, hay que darle forma mecánicamente, para conseguir el producto acabado, por ejemplo: la pala de una hélice. Hay varios tipos de fibras, a partir de las temperaturas de tratamiento: La fibra de alto módulo Es la más rígida y requiere una temperatura mayor de tratamiento. Su módulo de elasticidad supera los 300 y aun los 500 GPa. Mejor todavía, el monocristal de “grafito” tiene un módulo de 1050 GPa. El módulo de elasticidad 390 GPa es 70 veces superior al de las aleaciones de aluminio. La fibra de alta resistencia a la tracción. Se carboniza a la temperatura que da mayor resistencia a tracción, con valores superiores a 300 GPa. La fibra estándar. Es la más económica y de estructura isótropa. La rigidez es menor que en las anteriores; la temperatura de tratamiento es más baja. Se comercializa como fibras cortas. La fibra de carbono activada. Tiene una velocidad de adsorción 100 veces superior a la de los carbones clásicos activados. Se obtiene mediante carbonización y activación física y química de distintos precursores: breas, rayón, poliacetatos, etc. Presenta una gran superficie específica y tamaño de poros muy uniforme. La fibra se presenta en forma de fieltros o telas.

FC crecida en fase de vapor. Esta fibra se obtiene mediante un proceso catalítico de depósito superficial químico en fase de vapor (en inglés: VGCF vapour ground carbon fibres). Por su variedad de tamaños son un puente entre la FC convencional y la nanofibra. La fabricación del material compuesto. La elección de la matriz afecta profundamente a las propiedades del producto acabado. Admiramos a Alba Edison, que en 1879 patentó fibras de carbono como filamento para la bombilla eléctrica. El utilizó como precursor hebras de bambú carbonizadas, que en el vacío de la bombilla se ponían incandescentes y lograban durar 1200 horas. La lámpara de Edison tenía un rendimiento de 2 lúmenes/Watio. Edison no utilizó ninguna matriz, para lograr un producto terminado. Fue una excepción. Lo normal es usar una matriz de resina y un molde. Supongamos que tenemos el molde de un casco de regata de vela. Se adhieren al molde delgadas hojas de FC, que toman la forma de la barca. Alineamos las fibras del tejido en la dirección más conveniente, porque las fibras son anisotrópicas. Impregnamos la tela de FC con resina. Sobre la resina colocamos otra tela de FC impregnarla con resina, y así sucesivamente sobreponiendo telas de FC y capas de resina. En los puntos de casco en que las cargas son máximas al navegar por ejemplo la proa, el espesor del casco será mayor. El ala delta del X-32 realizada en FC.Foto Boeing X-32. Es fácil ver que hay mucha mano de obra especializada. Cuanto más intensas son las cargas que soportará el producto, por ejemplo: una pala de helicóptero, mayor cuidado pondremos en alinear correctamente la dirección de la fibra. Finalmente calentar la pieza, o curarla al aire. Expuesta al agua no sufrirá corrosión, y es muy fuerte en comparación con lo poco que pesa. Si en el molde hay burbujas de aire, la resistencia final quedará reducida. Las matrices son termoestables o termoplásticas. La fibra no se usa por sí misma, sino para reforzar matrices, por ejemplo: la ya citada resina epoxy u otros plásticos termoestables. En algunas aplicaciones la matriz es termoplástica.

Los termoestables Estos polímeros son plásticos que curados por calor, u otros medios, se transforman en un producto infusible e insoluble. Son los más usados (el 90 por ciento) en los composites estructurales. El 65 por ciento de las matrices termoestables son poliésteres insaturados. La mayor ventaja del termoestable es que tienen una viscosidad muy baja, y se pueden introducir en las fibras a baja presión. La impregnación de las fibras inicia el curado químico, que produce una estructura sólida, es un proceso realizado isotérmicamente. El reciclado, en la práctica, no es posible.

Los termoplásticos El termoplástico es capaz de ser ablandado repetidas veces por acción del calor, y endurecido por enfriamiento. Se puede reciclar con facilidad, lo cual es muy importante en el sector del automóvil. Su resistencia al impacto es excelente. Los termoplásticos aportan la ventaja de que el moldeo no es isotérmico, es decir: el plástico caliente y fundido se introduce en el molde frío, y así se logran ciclos muy cortos en tiempo. Pero los termoplásticos polimerizados fundidos suelen tener viscosidades entre 500 y 1000 veces superiores a los termoestables. El proceso requiere pues altas presiones y aumento de costes. Últimamente hay el proceso de monómero líquido. La ventaja del monómero líquido termoplástico (por ejemplo, PBT de Cyclics) consiste en que se procesa isotérmicamente (inyección, polimerización, cristalización y desmoldeo a la misma temperatura), como si fuera un termoestable. “Hilo híbrido” es el último método de procesar termoplásticos: se introduce el polímero en forma sólida, como polvo o fibra y se consigue que se mezcle con las fibras de carbono. El ”hilo híbrido” se convierte en tejido, u otras formas textiles, se aplica suficiente calor y presión, el termoplástico se funde y llena la corta distancia que le separa de la fibra de carbono. A continuación se enfría la pieza impregnada y logramos el material compuesto sólido. El molde a presión o “La bolsa de vacío” es excelente para productos de calidad: el molde de la regata de vela, con sus telas de FC impregnadas es introducida en una bolsa de paredes impermeables y extraemos el vacío. Las paredes flexibles de la bolsa presionan fuertemente el casco, y eliminamos las burbujas de aire. La interfase tela FC y la resina queda también mejorada. La fibra milagrosa La Asociación japonesa de fabricantes de FC la llaman: “Ligera en peso, fuerte y duradera”. Indudablemente tiene un gran porvenir industrial, incluso fuera del área aeronáuticaespacial. Es el material tecnológico del siglo XXI, precursor de los nanomateriales. De alto precio, pero con tendencia a bajar. Baja densidad, exquisitas propiedades mecánicas, eléctricamente conductora, de alto módulo elástico y de tracción, resistente al calor, baja expansión térmica, estabilidad química, térmicamente conductora y además permeable a los rayos X, una propiedad importante en el equipamiento médico. La industria de transportes,en especial la aeroespacial lleva décadas buscando materiales compuestos (C/C), para sustituir al metal. El objetivo es disminuir el peso de vehículo y aumentar la eficacia. La industria de satélites y de aviones militares lleva la delantera; el alto precio de los C/C no es un inconveniente. El X-32A, de Boeing, es un excelente ejemplo En los aviones comerciales ya se ha llegado a un 10-25 por ciento del peso total de la aeronave. Por primera vez Boeing nos ofrece ahora el 787, para 250 asientos, con 50 por

ciento del peso en C/C, principalmente de fibra de carbono (FC). En artículos de deporte: cañas de pescar, raquetas, bicicletas, coches fórmula 1, la fibra de carbono ya es popular, aunque de alto precio. La penetración seguirá aumentando hasta llegar a los coches de serie. Fuera de transporte, en la construcción, un sector en donde el peso es algo secundario, se emplea ya la fibra de carbono en puentes y pasarelas. Hasta aporta ventajas económicas frente a los métodos tradicionales. Las fibras de carbono muy pequeñas, sumergidas en un polímero de soporte resultan un material muy liviano y sumamente resistente. Si uno lo observa a través de un microscopio, una fibra de carbono (cuyo diámetro es la centésima parte de un milímetro) es muchísimo más fino que un cabello humano. Propiedades del carbono Alta resistencia y gran flexibilidad. Baja densidad, es un material mucho más resistente y liviano que numerosos metales. Buen aislante térmico. Resistente a numerosos agentes corrosivo. Posee propiedades ignífugas. - Coche fabricado totalmente en fibra de carbono.

Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca e incluso en joyería. Una de las propiedades de los elementos no metales como el carbono es por ejemplo que los elementos no metales son malos conductores del calor y la electricidad. El carbono, al igual que los demás elementos no metales, no tiene lustre. Debido a su fragilidad, los no metales como el carbono, no se pueden aplanar para formar láminas ni estirados para convertirse en hilos. El estado del carbono en su forma natural es sólido (no magnético). El carbono es un elmento químico de aspecto negro (grafito) Incoloro (diamante) y pertenece al grupo de los

no metales. El número atómico del carbono es 6. El símbolo químico del carbono es C. El punto de fusión del carbono es de diamante: 3823 KGrafito: 3800 K grados Kelvin o de -272,15 grados celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del carbono es de grafito: 5100 K grados Kelvin o de -272,15 grados celsius o grados centígrados. Usos del carbono El carbono es el cuarto elemento más abundante en el universo. Si alguna vez te has preguntado para qué sirve el carbono, a continuación tienes una lista de sus posibles usos: El uso principal de carbono es en forma de hidrocarburos, principalmente gas metano y el petróleo crudo. El petróleo crudo se utiliza para producir gasolina y queroseno a través de su destilación. La celulosa, un polímero de carbono natural que se encuentra en plantas, se utiliza en la elaboración de algodón, lino y cáñamo. Los plásticos se fabrican a partir de polímeros sintéticos de carbono. El grafito, una forma de carbono, se combina con arcilla para hacer el principal componente de los lápices. El grafito se utiliza también como un electrodo en la electrólisis, ya que es inerte (no reacciona con otros productos químicos). El grafito se utiliza también como lubricante, como pigmento, como un material de moldeo en la fabricación de vidrio y como moderador de neutrones en los reactores nucleares. El carbón, otra forma de carbono, se utiliza en obras de arte y para asar a la parrilla (por lo general en una barbacoa). El carbón activado (otra forma de carbono) se utiliza como un absorbente o adsorbente en muchos filtros. Estos incluyen máscaras de gas, purificadores de agua y campanas extractoras de cocina. También puede ser utilizada en medicina para eliminar toxinas, gases o venenos del sistema digestivo, por ejemplo en los lavados de estómago. El diamante es otra forma de carbono que se utilizan en joyería. Los diamantes industriales se utilizan para perforar, cortar o pulir metales y piedra. El carbono, en forma de coque, se utiliza para reducir el mineral de hierro en el metal de hierro. Cuando se combina con el silicio, tungsteno, boro y titanio, el carbono forma algunos de los compuestos más duros conocidos. Estos se utilizan como abrasivos en herramientas de corte y esmerilado. Propiedades atómicas del carbono

La masa atómica de un elemento está determinado por la masa total de neutrones y protones que se puede encontrar en un solo átomo perteneciente a este elemento. En cuanto a la posición donde encontrar el carbono dentro de la tabla periódica de los elementos, el carbono se encuentra en el grupo 14 y periodo 2. El carbono tiene una masa atómica de 12,0107 u. La configuración electrónica del carbono es [He]2s22p2. La configuración electrónica de los elementos, determina la forma el la cual los electrones están estructurados en los átomos de un elemento. El radio medio del carbono es de 70 pm, su radio atómico o radio de Bohr es de 67 pm, su radio covalente es de 77 pm y su radio de Van der Waals es de 170 pm. El carbono tiene un total de 6 electrones cuya distribución es la siguiente: En la primera capa tiene 2 electrones y en la segunda tiene 4 electrones. El carbono es único en la química porque forma un número de compuestos mayor que la suma total de todos los otros elementos combinados. Con mucho, el grupo más grande de estos compuestos es el constituido por carbono e hidrógeno. Se estima que se conoce un mínimo de 1.000.000 de compuestos orgánicos y este número crece rápidamente cada año. Aunque la clasificación no es rigurosa, el carbono forma otra serie de compuestos considerados como inorgánicos, en un número mucho menor al de los orgánicos. El carbono elemental existe en dos formas alotrópicas cristalinas bien definidas: diamante y grafito. Otras formas con poca cristalinidad son carbón vegetal, coque y negro de humo. El carbono químicamente puro se prepara por descomposición térmica del azúcar (sacarosa) en ausencia de aire. Las propiedades físicas y químicas del carbono dependen de la estructura cristalina del elemento. La densidad fluctúa entre 2.25 g/cm³ (1.30 onzas/in³) para el grafito y 3.51 g/cm³ (2.03 onzas/in³) para el diamante. El punto de fusión del grafito es de 3500ºC (6332ºF) y el de ebullición extrapolado es de 4830ºC (8726ºF). El carbono elemental es una sustancia inerte, insoluble en agua, ácidos y bases diluidos, así como disolventes orgánicos. A temperaturas elevadas se combina con el oxígeno para formar monóxido o dióxido de carbono. Con agentes oxidantes calientes, como ácido nítrico y nitrato de potasio, se obtiene ácido melítico C6(CO2H)6. De los halógenos sólo el flúor reacciona con el carbono elemental. Un gran número de metales se combinan con el elemento a temperaturas elevadas para formar carburos. Con el oxígeno forma tres compuestos gaseosos: monóxido de carbono, CO, dióxido de carbono, CO2, y subóxido de carbono, C3O2. Los dos primeros son los más importantes desde el punto de vista industrial. El carbono forma compuestos de fórmula general CX4 con los halógenos, donde X es flúor, cloro, bromo o yodo. A temperatura ambiente el tetrafluoruro de carbono es gas, el tetracloruro es un líquido y los otros dos compuestos son sólidos. También se conocen tetrahalogenuros de carbono mixtos. Quizá el más importante de ellos es el diclorodifluorometano, CCl2F2 llamado freón. El carbono y sus compuestos se encuentran distribuidos ampliamente en la naturaleza. Se estima que el carbono constituye 0.032% de la corteza terrestre. El carbono libre se encuentra en grandes depósitos como hulla, forma amorfa del elemento con otros compuestos complejos de carbono-hidrógeno-nitrógeno. El carbono cristalino puro se halla como grafito y diamante.

Grandes cantidades de carbono se encuentran en forma de compuestos. El carbono está presente en la atmósfera en un 0.03% por volumen como dióxido de carbono. Varios minerales, como caliza, dolomita, yeso y mármol, tienen carbonatos. Todas las plantas y animales vivos están formados de compuestos orgánicos complejos en donde el carbono está combinado con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos. Los vestigios de plantas y animales vivos forman depósitos: de petróleo, alfalto y betún. Los depósitos de gas natural contienen compuestos formados por carbono e hidrógeno. El elemento libre tiene muchos usos, que incluyen desde las aplicaciones ornamentales del diamante en joyería hasta el pigmento de negro de humo en llantas de automóvil y tintas de imprenta. Otra forma del carbono, el grafito, se utiliza para crisoles de alta temperatura, electrodos de celda seca y de arco de luz, como puntillas de lápiz y como lubricante. El carbón vegetal, una forma amorfa del carbono, se utiliza como absorbente de gases y agente decolorante. Los compuestos de carbono tienen muchos usos. El dióxido de carbono se utiliza en la carbonatación de bebidas, en extintores de fuego y, en estado sólido, como enfriador (hielo seco). El monóxido de carbono se utiliza como agente reductor en muchos procesos metalúrgicos. El tetracloruro de carbono y el disulfuro de carbono son disolventes industriales importantes. El freón se utiliza en aparatos de refrigeración. El carburo de calcio se emplea para preparar acetileno; es útil para soldar y cortar metales, así como para preparar otros compuestos orgánicos. Otros carburos metálicos tienen usos importantes como refractarios y como cortadores de metal. Efectos del Carbono sobre la salud El carbono elemental es de una toxicidad muy baja. Los datos presentados aquí de peligros para la salud están basados en la exposición al negro de carbono, no carbono elemental. La inhalación continuada de negro de carbón puede resultar en daños temporales o permanentes a los pulmones y el corazón. Se ha encontrado pneumoconiosis en trabajadores relacionados con la producción de negro de carbón. También se ha dado parte de afecciones cutáneas tales como inflamación de los folículos pilosos, y lesiones de la mucosa bucal debidos a la exposición cutánea.

Carcinogenicidad: El negro de carbón ha sido incluído en la lista de la Agencia Internacional de Investigación del Cáncer (AIIC) dentro del grupo 3 (agente no clasificable con respecto a su carcinogenicidad en humanos). El carbono-14 es uno de los radionucleidos involucrados en las pruebas nucleares atmosféricas, que comenzó en 1945, con una prueba americana, y terminó en 1980 con una prueba china. Se encuentra entre los radionucleidos de larga vida que han producido y continuarán produciendo aumento del riesgo de cáncer durante décadas y los siglos venideros. También puede atravesar la placenta, ligarse orgánicamente con células en desarrollo y de esta forma poner a los fetos en peligro.

Efectos ambientales del Carbono No se tiene constancia de que el carbono tenga efectos negativos sobre el medio ambiente.

Ciclo

del Carbono

Un 18% de la materia orgánica viva está constituida por carbono, la capacidad de dichos átomos de unirse unos con otros proporciona la base de la diversidad molecular así como el tamaño molecular. Por tanto el carbono es un elemento esencial en todos los seres vivientes. A parte de la materia orgánica, el carbono se combina con el oxígeno para formar monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), también forma sales como el carbonato de sodio (Na2CO3), carbonato cálcico (en rocas carbonatadas, como calizas y estructuras de corales).

Los organismos productores terrestres obtienen el dióxido de carbono de la atmósfera durante el proceso de la fotosíntesis para transformarlo en compuestos orgánicos como la glucosa, y los productores acuáticos lo utilizan disuelto en el agua en forma de bicarbonato (HCO3-). Los consumidores se alimentan de las plantas, así el carbono pasa a formar parte de ellos, en forma de proteínas, grasas, hidratos de carbono, etc. En el proceso de la respiración aeróbica, se utiliza la glucosa como combustible y es degradada, liberándose el carbono en forma de CO2 a la atmósfera. Por tanto en cada nivel trófico de la cadena alimentaría, el carbono regresa a la atmósfera o al agua como resultado de la respiración. Los desechos del metabolismo de las plantas y animales, así como los restos de organismos muertos, se descomponen por la acción de ciertos hongos y bacterias, durante dicho proceso de descomposición también se desprende CO2. Las erupciones volcánicas son una fuente de carbono, durante dichos procesos el carbono de la corteza terrestre que forma parte de las rocas y minerales es liberado a la atmósfera.

En capas profundas de la corteza continental así como en la corteza oceánica el carbono contribuye a la formación de combustibles fósiles, como es el caso del petróleo. Este compuesto se ha formado por la acumulación de restos de organismos que vivieron hace miles de años. Nanotubos. En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro (nm). Un nanómetro equivale en escala a la billonésima parte de un metro (1 nm = 1x10-9 m). Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro, pero generalmente el término se aplica a los nanotubos de carbono o CNTs (Carbon Nanotubes). Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. Los nanotubos conformados como si las esquinas de un folio se uniesen por sus extremos formando un canuto, se denominan nanotubos monocapa, o SWNTs (Single-Walled Nanotubes) Existen también nanotubos cuya estructura se asemeja a la de una serie de tubos concéntricos, incluidos unos dentro de otros a modo de "muñecas matriuska" y lógicamente de grosores crecientes desde el centro a la periferia. Estos últimos son los nanotubos multicapa o MWNTs (Multi-walled Nanotubes). Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de fullereno, y otros que no están cerrados. Los nanotubos están siendo estudiados activamente, como los fullerenos por su interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, la primera sustancia conocida por la humanidad capaz de sustentar indefinidamente su propio peso, una condición necesaria para la construcción de un ascensor espacial.

Otras equivalencias del nanómetro

Milímetro: 1 mm = 1 000 000 nm Micrómetro: 1 µm = 1000 nm Angstrom: 1 Å = 1/10 nm Picómetro: 1 pm = 1/1000 nm

Descubrimiento 1889. El primer antecedente descrito sobre la producción de filamentos carbonosos a partir de vapor se debe a Hugues y Chambers, que patentaron en EE.UU un procedimiento para la fabricación de filamentos de carbono utilizando como gases precursores hidrógeno y metano en un crisol de hierro. En 1952 y L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich, publicaron imágenes claras de 50 tubos de carbono de diámetro nanométrico en el diario oficial de química física en la Unión Soviética. Este descubrimiento fue en gran medida inadvertido, ya que el artículo fue publicado en idioma ruso, los científicos occidentales y el acceso a la prensa soviética, fue hecho casi imposible durante la guerra fría. Es probable que los nanotubos de carbono se produjeran antes de esta fecha, pero fue la invención del microscopio de transmisión de electrones o TEM (Transmission electron microscopy), quien permitió la visualización directa de estas estructuras. 1953. Con el desarrollo del microscopio electrónico, Davis, Slawson y Rugby describen la producción unos filamentos entre 100 y 200 nm, de forma helicoidal, a partir de la desproporción de CO catalizada por hierro a 450ºC, permaneciendo éste en la punta de los filamentos. A la vez que los filamentos, se producían también carbono amorfo y carburos de hierro. 1958. Hillert y Lange realizan una exhaustiva caracterización estructural de estos filamentos, corroborando la presencia de una partícula metálica en la punta. Los diámetros de estos filamentos oscilaban entre 10 y 100 nm y poseían una estructura altamente grafítica.

1970s. En esta década comienza a estudiarse de forma exhaustiva la generación de filamentos de carbono por procesos catalíticos, a partir de distintos precursores (hidrocarburos o CO) y usando como catalizadores diversos metales (Fe, Co, Ni, etc.). Caben destacar dos grupos principales de trabajo:El grupo de RTK Baker, del Departamento de Energía Atómica Británico, que siempre trabajó a escala de laboratorio. Principalmente utilizaron mezclas de acetileno e hidrógeno y catalizadores de diferentes metales (Ni, Co, Fe, Cr). Inicialmente trabajaron con nanopartículas de Ni soportadas, las cuales debían estar en estado elemental para ser activas, y propusieron un modelo de crecimiento, en el que el hidrocarburo difundía a través de la partícula metálica debido a un gradiente de temperatura, condensando carbono en la parte posterior. Este grupo definió estos materiales como filamentos de carbono (para diferenciarlos de las fibras). Los nanotubos de carbono se han producido y observado bajo una variedad de condiciones desde antes de 1991. Un documento de Oberlin, Endo, y Koyama publicado en 1976, muestra claramente las fibras huecas de carbono a escala nanométrica, utilizando una técnica de crecimiento por vapor o CVD (Chemical Vapor Deposition). Además, los autores

mostraron una imagen TEM de un compuesto de nanotubos de una sola pared de grafito. Posteriormente, Endo se refirio a esta imagen como un nanotubo de pared simple o monocapa (SWNT). Además, en 1979, John Abrahamson presentó pruebas de nanotubos de carbono en la 14 conferencia bienal de carbono en la universidad estatal de Pennsylvania. El documento de la conferencia, describe los nanotubos de carbono como las fibras de carbono que se producen de ánodos del mismo compuesto, durante una descarga por arco. Se planteó la caracterización de estas fibras, tanto como la hipótesis para su crecimiento en una atmósfera de nitrógeno a baja presión. En 1981 un grupo de científicos soviéticos publicó los resultados de la estructura química y caracterización de las nanopartículas de carbono, producido por una desproporción termocatalítica de monóxido de carbono. Usando imágenes TEM y patrones de XRD, los autores sugirieron que sus "cristales tubulares de carbono multicapa”, fueron formados mediante el enrollamiento de capas de grafito en forma de cilindros. Además, ellos especularon que durante el proceso de enrollamiento de capas de carbono en un cilindro, son posibles muchos arreglos diferentes de grafito en forma de redes hexagonales. Se platearon dos posibilidades de estas distribuciones: En forma circular (nanotubo sillón) y en forma espiral, helicoidal (tubo quiral). En 1987, le fue entregada una patente de los EE.UU. a Howard G. Tennent de Hyperion Catálisis, por la producción de “fibrillas discretas cilíndricas de carbono", con un diámetro de entre 3.5 y alrededor de 70 nanómetros…, longitud 10² el diámetro, un orden exterior de la región de múltiples capas esencialmente continuas de átomos de carbono ordenados, y un distinto núcleo interno... En el año 2006 un artículo escrito por Marc Monthioux y Vladimir Kuznetsov en el “Carbon Journal”, describe el interesante y a menudo erróneo origen de los nanotubos de carbono. Un elevado porcentaje de universitarios y de literatura popular, atribuye el descubrimiento de tubos huecos de carbono compuestos de grafito a Sumio Iijima de NEC en 1991.

El descubrimiento de Iijima de los nanotubos de carbono en el material insoluble de varillas de grafito quemadas por método de arco, creó la "revolucion investigativa" que está ahora asociada con nanotubos de carbono. Los estudios de nanotubos de carbono, se aceleraron enormemente después de los descubrimientos independientes hechos por Bethune de IBM y Iijima de NEC; en nanotubos de carbono de pared simple y métodos específicamente para la producción de estos, mediante la adición de catálisis por transición metálica al carbono en una descarga por arco. La técnica de descarga por arco era bien conocida, por producir el afamado Buckminster fullereno a escala preparativa. Esos resultados parecieron ampliar la carrera de descubrimientos accidentales de fullerenos.

Métodos de producción Método del sustrato La síntesis de nanotubos de carbono por esta técnica es esencialmente un proceso de dos etapas, en una primera etapa se preparan los catalizadores y en una segunda etapa se crecen los nanotubos. Los catalizadores son preparados generalmente dispersando nanopartículas de un metal de transición sobre un substrato. Dado que el elemento activo es el metal en estado elemental, es necesario un tratamiento de reducción con hidrógeno para inducir la nucleación de partículas catalíticas en el sustrato. En la siguiente etapa (el catalizador ha de estar ya en todo momento en atmósfera controlada libre de aire), se introduce en el sistema la fuente de carbono para producir el crecimiento de los nanotubos. Las temperaturas utilizadas para la síntesis de nanotubos por CVD se hallan generalmente comprendidas entre 650 y 900ºC. Suele emplearse un reactor tubular, introducido en un horno eléctrico, para llevar a cabo ambas etapas, pasando de una a otra mediante los flujos de gases y las temperaturas. Durante la etapa de crecimiento de nanotubos, suele seguir utilizándose hidrógeno como gas portador ya que este inhibe la formación de carbono amorfo. Cuando se desea producir VGCF engordadas, suele realizarse una tercera etapa de engrosamiento, donde se disminuye la relación de hidrógeno y se incrementa la temperatura para favorecer el craqueo. El método del sustrato es versátil y permite obtener los distintos tipos de filamentos con alta selectividad. Sin embargo, las cantidades a producir son muy pequeñas, al ser un proceso discontinuo que requiere de unos tiempos de residencia elevadísimos, por lo que los costes son astronómicos.

Método del Catalizador Flotante. Este método fue desarrollado en la década de 1980 por los grupos de Endo y Tibbetts para la producción de VGCF. Hoy en día, es una forma válida de la obtención de nanotubos, nanofibras o VGCF, aunque el control de lo que ocurre es bastante más complicado que en el método del sustrato. La idea de este método es producir de forma continua, en un único proceso continuo, los nanofilamentos catalíticos, introduciendo en el reactor sus reactivos. Por lo tanto, todas las etapas descritas en el método del sustrato (preparación del catalizador, generación de nanopartículas de metal elemental, crecimiento de nanofilamentos (y engrosamiento) debe tener lugar en un único reactor.

Como fuente de catalizador suele utilizarse Fe principalmente, y en concreto órgano metálicos de Fe para que la generación de las nanopartículas metálicas activas sea más factible. Se utilizan tanto Fe (CO)5 como ferroceno. No se han encontrado en la bibliografía ningún trabajo en el que se obtengan nanofilamentos en catalizador flotante alimentando sales el reactor. Para que los volúmenes del reactor no sean muy grandes y su diseño sea factible, la reacción debe tener una cinética razonable, muy superior a la del método del sustrato. Para ello hay que incrementar mucho la temperatura, con la inevitable formación de hollín por craqueo de la fuente de carbono. Para minimizar la formación de hollín, el tiempo de residencia ha de ser muy pequeño, del orden de segundos. Este gran incremento de la cinética se consigue añadiendo una fuente de S (H2S, tiofeno), en cantidades aproximadamente equimolares con el metal. La función del S no está clara, aunque parece que tiene que ver con la generación de partícula fundida. Ablación Láser La "ablación láser" es un proceso que consiste en vaporizar un blanco de grafito mediante la radiación de un pulso láser, en un reactor de alta temperatura y en presencia de un gas inerte. Los nanotubos se forman cuando el grafito vaporizado entra en contacto con la superficie fría, condensando sobre las paredes del reactor. Este procedimiento suele presentar un rendimiento típico del 70% en peso y produce nanotubos monocapa, con un diámetro que puede controlarse variando la temperatura en el interior del reactor. Descarga de arco

Desde 1991, la presencia de nanotubos se ha podido observar en el hollín producido al provocar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito. La corriente típica para producir dicho arco era de unos 100 amperes, y paradójicamente lo que se pretendía era producir fullerenos. La primera vez que se produjeron nanotubos de carbono, de forma masiva, fue usando un método similar al anterior, por dos investigadores del Laboratorio de Investigación Básica de la compañía NEC.

En dicho proceso se observó que el carbono contenido en el electrodo negativo sublimaba debido a las altísimas temperaturas producidas por la descarga que provocaban el arco voltaico. Esta técnica es el método más importante usado en la síntesis de nanotubos, puesto que fue la primera en la que la producción de esta forma alotrópica era apreciable.

La descarga de arco es un tipo de descarga eléctrica continua que genera luz y calor muy intensos. Se produce entre dos electrodos enfrentados dentro de una atmósfera de gas inerte a baja presión. Por los electrodos de grafito, se hace pasar una corriente intensa, (cientos de amperes) la cual hace sublimar los átomos de carbono de la superficie de los electrodos, formando un plasma alrededor de estos. En un arco abierto al aire y a presión normal, (una atmósfera) el electrodo positivo alcanza una temperatura de unos 3.000 ºC. El rendimiento típico usando esta técnica, es del orden del 30% en peso y los productos obtenidos son tanto nanotubos monocapa, como multicapa de una longitud típica de unas 50 micras.

Se puede combinar con el método de purificación por oxidación, desarrollado por Ebbesen en 1994, que consiste en el calentamiento de la fullerita extraída después de la descarga a 1000 K, en una atmósfera de oxígeno durante 30 minutos. Este procedimiento permite evaporar las diferentes clases de fullerenos y dejar los nanotubos aislados. También se emplea para evaporar las paredes más externas de los nanotubos de tipo multicapa, y también para abrir los extremos de los mismos. CVD La deposición catalítica en fase de vapor, o Catalytic Vapor Phase, (a partir de ahora, CVD) fue descrita por primera vez en 1959, pero no fue hasta 1993 cuando los nanotubos se pudieron sintetizar mediante este proceso. En 2007, un grupo de investigadores de la Universidad de Cincinnati, desarrollaron un proceso de crecimiento que permitía obtener matrices de nanotubos de carbono alineados, de una longitud media de unos 18 mm. En la CDV, normalmente se prepara un sustrato con una capa de metal, como el níquel, cobalto, oro o una combinación de estos. Las nanopartículas de metal se pueden producir también, por otros medios incluidos la reducción de óxidos o soluciones de óxidos sólidos. Los diámetros de los nanotubos que van a formarse por crecimiento controlado, están relacionados con el tamaño de las partículas de metal. Este tamaño se puede controlar por deposición de patrones (o mascaras de metal), o por la adición de agua fuerte sobre la capa de metal. El sustrato se calienta aproximadamente a unos 700 ºC.

Para iniciar el crecimiento de nanotubos, se mezclan dos gases en el reactor. Un gas de proceso tal como amoniaco, nitrógeno, hidrógeno y otro gas que se usa como fuente de carbono; así como acetileno, etileno, etanol, metano, etc. Los nanotubos crecen en el lado del catalizador de metal. El gas que contiene carbono se rompe sobre la superficie de las partículas catalíticas, y el carbono es transportado a los límites de la partícula, donde se forman los nanotubos. Este mecanismo está todavía en fase de estudio y discusión. Las

partículas catalíticas pueden permanecer sobre las puntas de crecimiento de los nanotubos durante el proceso de crecimiento, o continuar sobre la base del nanotubo, dependiendo de la adhesión entre las partículas catalíticas y el sustrato. DV es un método muy frecuente para la producción comercial de nanotubos de carbono. Para este propósito las nanopartículas de metal, se mezclarán cuidadosamente con un soporte catalizador por e.g. ( MgO, Al2O3, etc.); para incrementar el área de superficie específica, en aras de una mayor producción de la reacción catalítica defeedstock con las partículas de metal. Otra cuestión de la ruta de síntesis es la eliminación del soporte catalítico mediante un tratamiento ácido, lo que algunas veces podría llevar a la destrucción de la estructura original de los nanotubos. Algunos soportes catalíticos alternativos que son solubles en agua, han demostrado ser más efectivos para el crecimiento de nanotubos. Si se genera un plasma, aplicando un intenso campo eléctrico durante el proceso de crecimiento (deposición del vapor químico aumentada por plasma); entonces el crecimiento del nanotubo seguirá la dirección del campo eléctrico. Ajustando adecuadamente la geometría del reactor, es posible sintetizar nanotubos verticalmente alineados, e.g., perpendiculares al sustrato, una morfología que ha sido del interés de los investigadores interesados en la emisión de electrones por parte de nanotubos. De manera usual, sin la presencia del plasma, los tubos resultantes están orientados aleatoriamente. El resultado es parecido a un "bowl de spaghetti" de carbono. Bajo ciertas condiciones de reacción, incluso en ausencia de campos eléctricos o plasmas, los nanotubos crecerán espaciados estrechamente y mantendrán una dirección de crecimiento vertical. El resultado es una densa matriz de tubos reensamblados a modo de alfombra o bosque. De los métodos desarrollados para la síntesis de nanotubos, la técnica CVD se muestra la más prometedora para la escala industrial en términos de relación precio/unidad. Hay ventajas adicionales para la síntesis de nanotubos por CVD. De los diferentes métodos de obtención de nanotubos, CVD es la única técnica capaz de lograr un crecimiento directamente sobre un sustrato determinado. Sin embargo, en las demás técnicas, los nanotubos deben ser recopilados posteriormente. Los lugares de crecimiento son controlables por deposición cuidadosa de un catalizador. Además no hay otros métodos de crecimiento, por ahora, que se hayan desarrollado para producir nanotubos alineados verticalmente. En el año 2007, un grupo de la Universidad de Meijo, desarrolló una técnica CVD para el crecimiento de nanotubos de carbono a partir del alcanfor. Otro grupo de investigadores de la Universidad de Rice, se ha concentrado en diseñar métodos para la producción de cantidades apreciables de nanotubos de gran longitud y pureza de una conformación particular. La forma de acometer el problema, se basa en hacer crecer fibras largas a partir de las semillas que provienen de un único nanotubo cortado. En los análisis de las muestras se comprobó que todas las fibras obtenidas resultaron ser del mismo diámetro y tipo del nanotubo original. Más adelante se espera una mejora en la producción y longitud de los nanotubos, para que puedan usarse en aplicaciones industriales. El crecimiento CVD de nanotubos multicapa, lo usan actualmente algunas compañías para producir toneladas de materiales, entre las que se encuentran: Arkema, Bayer, Hyperion Catalysis, Mitsui, Nanocyl, NanoLab, Nanothinx, y Showa Denko.

Tipos de nanotubos de carbono y estructuras relacionadas Nanotubos Monocapa La mayoría de nanotubos de una sola pared (SWNT) tienen un diámetro de cerca de 1 nanómetro, con una longitud del tubo que pueden ser muchos miles de veces más. La estructura de un SWNT, puede ser conceptual izado por un envoltorio de un átomo de espesor de la capa de grafito llamado graphene sin fisuras en un cilindro. La forma en que la hoja de graphene envuelve, está representado por un par de índices (n, m), llamado el vector quiral. Los números enteros m y n indican el número de vectores unitarios a lo largo de dos direcciones, en el panal de cristal enrejado de graphene. Si m = 0, los nanotubos se llaman "zigzag". Si n = m, los nanotubos son llamados "sillón". En caso contrario, se les llama "quirales". Los nanotubos de pared simple son una muy importante variedad de nanotubos de carbono, ya que presentan importantes propiedades eléctricas que no se muestran en las diversas variaciones de tubos multicapa de carbono o (MWNT). Los nanotubos de pared simple son los más probables candidatos para miniaturización de electrónicos más allá de la escala micro-electromecánica; la base actual de la electrónica moderna. El bloque de construcción más básico de estos sistemas es el cable eléctrico, y los SWNTs pueden ser excelentes conductores. Una útil aplicación de SWNTs es en el desarrollo de los primeros transistores intramoleculares de efecto de campo (FETS). La producción de la primera puerta lógica utilizando SWNT FETS, ha pasado recientemente a ser posible también. Para crear una puerta lógica se debe tener ambos, un p-FET y un n-FET; porque los SWNTs son p-FETS cuando se exponen al oxígeno y n-FETS cuando no expuestos al oxígeno, es posible proteger la mitad de SWNTs a una exposición de oxígeno, mientras se expone la otra mitad al oxígeno. Esto resulta en un único SWNT que actúa como una puerta NO lógica con ambos p y n-tipo de FETS dentro de la misma molécula. Nanotubos de pared simple o monocapa son todavía muy caros de producir, alrededor de $ 1.500 por gramo al año 2000, y el desarrollo de técnicas más asequibles de síntesis es vital para el futuro de la nanotecnología de tubos de carbono. Si los medios más baratos de síntesis no pueden ser descubiertos, sería financieramente imposible aplicar esta tecnología a escala comercial. Varios proveedores ofrecen SWNTs producidos por descarga por arco por entre $ 50-100 por gramo al año 2007. Fullerenos

Los fullerenos son macromoléculas de carbono individuales, con estructuras cerradas formadas por varias decenas de átomos de carbono únicamente. Los fullerenos son una forma alotrópica del carbono. Fueron descubiertos accidentalmente por los grupos de Smalley y de Kroto en 1985, siendo galardonado su descubrimiento con el premio Nobel de

química en 1996. En un sistema de dos electrodos de grafito a una distancia de 1 mm y a una presión de 200 torr, encontraron un depósito carbonoso en el ánodo al hacer saltar arcos eléctricos. Además del hollín o carbono evaporado de un electrodo al otro, estos investigadores encontraron resultados extraños en los espectros de masas de las muestras de carbono evaporado. Tras ser aislados por disolventes y tras numerosos estudios, se obtuvo que la mayoría de este material fueran moléculas de C60, con una estructura similar a la de un balón de fútbol, recibiendo el nombre de Fullerenos en honor a Buckmister Fuller, un arquitecto alemán que diseñaba cúpulas con este tipo de estructuras. También se encontraron cantidades menores de C70. Los fullerenos pueden presentarse en forma de esfera hueca, elipsoidal, de tubo o plana. Los fullerenos esféricos son comúnmente conocidos como buckyballs. Aquellos en forma cilíndrica son denominados nanotubos de carbono o buckytubes. El graphene es un ejemplo de una hoja plana de fullereno. Los fullerenos son similares en estructura al grafito, el cual se compone de hojas apiladas de anillos hexagonales vinculados entre si, pero también pueden contener anillos pentagonales o en algunas ocasiones heptagonales. Distintas variaciones de fullerenos Desde el descubrimiento de los fullerenos en 1985, las variaciones estructurales de los fullerenos han evolucionado mucho más allá de los distintos grupos de ellos mismos (CXX). Ejemplos de fullerenos incluye: Buckyball fullerenos: El miembro más pequeño es el C20. Otros ejemplos incluyen C26, C36, C50, C70, C72, C76, C80, C82, C84 y C60; este ultimo siendo el más común del grupo y también conocido como Buckminsterfullerene C60. XX número arraigado a la letra C constituye el número de atomos de carbono presente. Molécula C36 “Stickyball” Los físicos Charles Piskoti y Alex Zettl, junto con el químico Jeff Yarger de la Universidad de California, Berkeley; reportaron en la edición Naturaleza de junio 25,1998 que pudieron aislar una esfera de fullereno con sólo 36 átomos de carbono. Este descubrimiento fue examinado por Robert F. Service en la publicación CIENCIA del 26 de junio de 1998 (VOL . 280), el cual escribió un artículo titulado "Nuevos fullerenos redondos de la Familia" Curt Suplee del diario Washington Post del lunes 29 de junio de 1998 (Pág. A03), escribió sobre "36 átomos adhesivos que podrían dar un futuro muy brillante al carbono". El reporte de R.F.Service observa que pruebas desarrolladas al nuevo fullereno demostraron que es mucho más reactivo químicamente que su primo grande C60, lo que podría hacerlo transformarse en todo, desde superconductores de alta temperatura hasta materiales de alta resistencia. C36 es inestable para empezar, de ahí su apodo de "stickyball". Debido a su capacidad para enlazarse con otros átomos la molécula C36 podría producir nuevas sustancias estables por medio de su inusual estructura, resultando en útiles propiedades ópticas y electrónicas.

Entre las propiedades alcanzables puede ser la superconductividad. Zettl opino que en contraste con la molécula C60 la C36 en teoría sugiere que la molécula más pequeña ", debe ser aún mejor en un superconductor de temperatura." Zettl también especuló que C-36 podría "ser interesante por razones médicas." Por ejemplo, podría ser capaz de extraer toxinas del torrente sanguíneo. Buckyballs son buenos en robo de compuestos llamados "radicales libres" que impiden la capacidad de auto-regeneración en células. Pero el problema es, Zettl señaló, "usted no puede extraerlas del cuerpo" una vez que se ha empapado el buckyball de cosas desagradables. Sin embargo el tamaño más pequeño de C36 "podría ser una ventaja real."

El laboratorio Berkeley en relación a la molécula C36 Investigadores del laboratorio Berkeley, Alex Zettl, Steven Louie, Marvin Cohen y colegas, han sintetizado y aislado fullerenos C36 para el diseño de nuevos materiales. C36 es químicamente más reactivo que C60 debido a su mayor porcentaje de miembros de 5 anillos, por lo que forma una gran variedad de compuestos estables. Por ejemplo, los fullerenos C36 pueden ser recubiertos con otros elementos, tales como F o Cl, para desarrollar buckyballs con propiedades similares al teflón. Los investigadores también han producido un fullereno sólido C36; la primera vez que ha sido sintetizado un fullereno más pequeño al C60. Las moléculas en estado sólido que pueden formarse en diferentes estructuras, se unen por enlace covalente formando un sólido polimerizado. Estos sólidos, (fulleritas de puro carbono C36), se espera posean altas temperaturas de transición de superconductividad. Además cuando algunos de los átomos de carbono se sustituyen por otros elementos como el nitrógeno, fusiones selectas se acortaran y la temperaturas de transición de superconductividad se espera que aumentará aún más.

Las numerosas posibilidades para los materiales diseñados a partir de fullerenos C36 incluyen: Moléculas C36 halogenadas para lubricantes; materiales C36 para captura de marcadores radioactivos en imágenes médicas; películas de moléculas C36 con enlace covalente para catalizar reacciones químicas; átomos magnéticos atrapados dentro de fullerenos C36 en enlace covalente, para dispositivos de grabación. Materiales basados en C36 pueden ser usados también para los detectores de infrarrojos, otros medios ópticos y aplicaciones electrónicas. Aplicaciones tecnológicas -Lubricantes

-Superconductores

-Imágenes Medicas

-Catálisis química

-Dispositivos de Grabación

Ventajas de la molécula C36

Mayor reactividad química que la molécula C60. Esto significa más compuestos útiles. Altas temperaturas de transición de superconductividad Nanotubos: Una de las estrellas de la nanotecnología son los nanotubos, láminas de carbón que se cierran sobre sí mismos. Los nanotubos son los materiales conocidos más resistentes, superando hasta en 100 veces al acero. Además, son excelentes conductores eléctricos, cientos de veces más eficientes que el cobre.

Propiedades de los nanotubos Los nanotubos de carbono los cuales son cilindros largos y delgados de carbono, fueron descubiertos en 1991 por S. Iijima. Estos son grandes macromoléculas que son únicas por su tamaño, forma y extraordinarias propiedades físicas. Se pueden considerar como una hoja de grafito (un enmallado hexagonal de carbono) enrollada para formar un cilindro. Estas intrigantes estructuras han generado mucho entusiasmo en los últimos años y una gran cantidad de investigación ha sido dedicada a su entendimiento. Actualmente, su propiedades físicas aún son descubiertas y debatidas. Lo que lo hace tan difícil es que los nanotubos tienen un rango muy amplio de propiedades electrónicas, térmicas y estructurales que pueden cambiar dependiendo de las diferentes clases de nanotubo (definidas por su

diámetro, longitud, y “chiralidad”, o giro). Para hacer las cosas más interesantes, además de tener una pared cilíndrica sencilla (SWNTs), los nanotubos pueden tener múltiples paredes (MWNTs) cilindros dentro de otros cilindros. ESTRUCTURA DE EQUILIBRIO Gran parte de la investigación se ha dedicado al estudio de la estructura de equilibrio de los nanotubos de carbono. Actualmente, alguna información todavía está siendo debatida, pero aquí se han compilado datos recientes de los aspectos más básicos y necesarios de los nanotubos de carbono de pared sencilla (SWNT). Estructura básica Puesto de forma sencilla, los nanotubos de carbono existen como una macro-molécula de carbono, análoga a una hoja de grafito (la forma de carbono, pura y quebradiza de la punta de un lápiz) enrollada en forma cilíndrica. El grafito se parece mucho a una hoja de alambrado de corral, un mosaico de anillos hexagonales de carbono. Las hojas de grafito en un lápiz están apiladas una encima de otra, pero se pueden deslizar y ser separadas fácilmente, que es los que sucede al escribir. Sin embargo, cuando se enrollan, el arreglo de carbono se torna muy fuerte. De hecho, se ha sabido que los nanotubos pueden ser hasta cien veces más fuertes que el acero y tienen casi dos milímetros de largo. Estos nanotubos tienen un “casquete” hemisférico en ambas esquinas del cilindro. Estos son ligeros, flexibles, térmicamente estables, y son químicamente inertes. Tienen la habilidad de ser metálicos o semiconductores dependiendo del “giro” del tubo. Figura 1. Extremo de un SWNT

Tipos de SWNTs Los nanotubos forman diferentes tipos, los cuales pueden ser descritos por el vector chiral (n,m), donde n y m son enteros de la ecuación del vector R = na1 + ma2. El vector chiral se determina por el diagrama abajo. Figura 2. Diagrama Vectorial

Se puede imaginar que un nanotubo se desenrolla para volverlo una hoja plana. Se dibujan dos líneas (las líneas azules) a través del eje del tubo donde toma lugar la separación. En otras palabras, si se corta a lo largo de las dos líneas azules y luego se unen sus extremos en forma cilíndrica, se obtiene el nanotubo con el que se empezó. Ahora, se encuentra cualquier punto en una de las líneas azules que intersectan uno de los átomos de carbono (punto A). Después, se dibuja la línea de Sillón (la línea amarilla delgada), la cual viaja a través de cada hexágono, separándolos en dos mitades iguales. Ahora que se ha dibujado la línea de sillón, se encuentra un punto a lo largo del otro eje del tubo que intersecta el átomo de carbono más cercano a la línea de Sillón (punto B). Ahora se conectan A y B con el vector charal, R (flecha roja). El ángulo de envoltura ; (no mostrado) se forma entre R y la línea de Sillón. Si R está sobre la línea de sillón (=0°), entonces se llama un nanotubo de “Sillón”. Si =30°, entonces el tubo es de tipo “zigzag”. De otra forma, si 0°