El Estado Slido en la Ingenieria Civil

EL ESTADO SLIDOIng. Nilo Ricardo Garca Corzo

ESTADOS DE LA MATERIAS L I D OL Q U I D OG A S E O S Osublimacinfusinvaporizacindeposicinsolidificacincondensacin

Poseen forma propia que tiende a recuperar si ha sido modificado por accin de alguna fuerza externa.tomos ocupan posiciones ~ fijas, vibran en torno a posicin de equilibrio, longitud de vibracin 10-11 m, frecuencia 1013 vibraciones/s.Y experimentan movimientos discontinuos, responsables de la difusin. Slido: Sustancias elsticas rgidas, es decir, substancias que tienen un comportamiento elstico no slo cuando se las somete a fuerzas, sino tambin a fuerzas de tensin y cortantes.El estado slidografeno

Cmo pueden los tomos de un slido permanecer unidos en esa estructura? Un modelo de slido debe tener en cuenta al menos dos caractersticas:Debe admitir fuerzas de atraccin entre los tomos, cuando stos se encuentren demasiado alejados y

poderosas fuerzas de repulsin, cuando se aproximan excesivamente. Formas y propiedades del Slido

PROPIEDADES DEL ESTADO SLIDOMecnicas y TrmicasElctricas y magnticasMecnica quanticaMetalurgia fsicaCristalografaEs imprescindible el entendimiento de su estructura para que le permita comprender sus propiedades y comportamiento en aplicaciones especficas y relevantes.Difraccin de rayos n = 2 d sen X

Rayos X incidenteRayos X reflejadosdistancia adicional recorrida por "2"distancia entre los planossi los rayos reflejados estn en fase, la intensidad mxima se detectadetectorOrden y desorden los 2 principios de la naturaleza

Qu es cristal?Son cristalesNo son cristales

Vidrio: Un slido amorfo no posee una distribucin regular ni orden molecular de gran alcance.Cuarzocristalino (SiO2)Vidrio de cuarzono cristalinoCristales: slido cuyo arreglo de tomos mantienen cierta periodicidad. CristalizacinEl crecimiento de los cristales se inicia en los ncleos de cristalizacin.

No puede ser uniforme a causa de los diferentes factores de la composicin, la velocidad de enfriamiento y las interferencias que se producen entre ellos mismos durante el proceso de crecimiento.

Tipos de slidos segn su enlaceTIPO DE SLIDOINICOCOVALENTEMETLICOMOLECULARUNIDAD ESTRUCTURALINTOMOATOMOMOLCULAENLACE ENTRE UNIDADESENLACE INICOENLACE COVALENTEENLACE METLICOFUERZAS DE VAN DE WAALSDUREZADURODUROAMPLIA GAMABLANDOPUNTO DE FUSINALTO(600 A 3000 C)ALTO(1200 A 4000CAMPLIA GAMA(-39 A 3400C)BAJO(-272 A 400C)CONDUCTIVIDADAISLANTE EN SOLIDO PERO CONDUCTOR EN DISOLUCINAISLANTE O SEMICONDUCTORCONDUCTORAISLANTEGENERALMENTE SE PRESENTA ENCOMPUESTOS DE LOS METALES Y NO METALESNO METALES DEL CENTROMETALES DE LA MITAD IZQUIERDANO METALES DE LA DERECHAEJEMPLOSKI, Na2CO3,Diamante, Si, SiO2Fe, Cr, Ni, BronceH2O, C6H6Cristales inicosSe mantienen juntos por la atraccin electrosttica Duro, quebradizo, punto de fusin alto Mal conductor de calor y electricidad CsClZnSCaF2

Cristales covalentesSe mantienen juntos por enlace covalenteDuro, punto de fusin alto Mal conductor de calor y electricidad grafitotomos decarbono

Slidos molecularesJuntos por fuerzas intermolecularesSuave, punto de fusin bajoMal conductor de calor y electricidad

Cristales metlicosSe mantienen juntos por enlaces metlicosBlando a duro, punto de fusin bajo a altoBuen conductor de calor y electricidad

AGRUPAMIENTOa) Plano Compactob) Plano no compactoArreglos planares de tomos iguales muestran dos posibilidades

Conjunto de objetos espaciados de manera uniforme en dos dimensiones El arreglo ordenado de objetos se puede representarmediante una RED

Las redes son construcciones imaginarias muy tiles ya quesirven como sistema de coordenadas a partir de las cuales los tomos, molculas o iones se localizan.

Las REDES se puede representar de muchas formas

Cuando cada objeto del arreglo ordenado se reemplaza porun punto entonces se forma la RED CRISTALINA

Punto dela redPuntos en una redPunto reticular

El rea formada por lneas sucesivas de la red se llamaCELDA UNITARIALa celda unitaria es la unidad estructural ms pequea que da lugar a la forma macroscpica de un cristal

es un paraleleppedo CELDAS UNITARIA DE UNA RED TRIDIMENSIONAL

Posibles celdas para la misma red. Por convenio, se elige la celda que represente por completo la simetra de la estructura.

SLIDOS CRISTALINOSLa estructura del slido cristalino se representa mediante la repeticin de la celda unidad en las tres direcciones del espacio

Celda unidadTranslacin eje yTranslacin eje XTranslacin eje ZYXZ8 celdas unitarias lo comparten2 celdas unitarias lo compartenUn tomo del vrtice y un tomo centrado en las caras

Los siete tipos de celdas unitarias

clasificacin de celdas segn el nmero de puntos reticularesPunto reticularINTEGRANDO: Cuando estos cuatro tipos se combinan con las siete formas de celda posibles, y adems con todos los posibles elementos de simetra de estas redes, se obtienen 230 grupos espaciales tridimensionales, o sea 230 patrones diferentes de ocupacin espacial.

REDES DE BRAVAISTodas las redesse pueden resumir en 14 redes fundamentales. Llamadas Redes Bravais.

Cualquier red de Bravais diferente de stas puede reducirse a una de ellas.

Los tres tipos de celdas cbicasCbica simpleCbica centrada en el cuerpoCbica centrada en las carassccbccfcc

1 tomo/celda unitaria(8 x 1/8 = 1)2 tomos/celda unitaria(8 x 1/8 + 1 = 2)4 tomos/celda unitaria(8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4)Cbica simpleCbica centrada en el cuerpoCbica centrada en las carasNUMERO DE ATOMOS POR CELDA UNITARIARelacin entre la longitud de la arista y el radio de los tomos de tres diferentes celdas unitariasa = 2rb2 =a2 + a2c2 = a2 + b2 = 3a2c = 3a = 4r

b = 4rb2 = a2 + a216 r2 = 2a2a = 8 r

Nmero de Coordinacin = 6

Nmeros de coordinacinN Coord = 8

N Coordinacin = 12?Factor de empaquetamiento atmicoVolumen del tomo por celda unitariaVolumen de la celda unitariaFE =tomo por celdaVolumen del tomoVolumen de la celda

FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO TOMICO PARA BCC

Volumen de la celdatomos por celdaVolumen del tomo

Sitio A Secuencia de rellenado ABCABC... Celda unitaria CFCSitio B Sitio C ABC

FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO TOMICO POR FCC

Volumen de la celdaVolumen del tomotomo por celda

Nmero de Coordinaci = 12 Secuencia de construccin ABAB... Factor de empaquetamiento FE = 0.74 Proyeccin 3D Proyeccin 2D

ESTRUCTURA EXAGONAL COMPACTA (EC)Sitio A Sitio A Sitio B

Propiedades justificadas por la estructura cristalina:DensidadMdulo de elasticidadDilatacin trmicaPunto de fusinConductividad trmicaCalor especficoResistividad elctricaPropiedades magnticas.

Mdulo de elasticidad y estructuraEstructuras menos compactas exhiben menor mdulo de elasticidad

El hierro AceroTiempoT (C)15381394910LquidoHierro delta, Hierro gamma, AustenitaHierro alfa, ferritabccfccbccEs polimrfico y/o alotrpico, por adoptar diferentes estructuras cristalinas y propiedades.

Fe MATERIAL POLICRISTALINOLa mayora de los slidos cristalinos son un conjunto de muchos cristales pequeos o granos

Estructura granular en el acero

Ferrita: El tomo negro representa al carbono, el cual se ubica en los huecos ms grandes que quedan entre los tomos de hierro. La ferrita acepta muy poco carbono en su interior.Austenita: En este caso los tomos de carbono se acomodan en el centro de las aristas del cubo. La austenita puede aceptar hasta el 2% en masa, de carbono.Martensita: El carbono queda atrapado en una posicin donde no cabe en la red cbica centrada en el cuerpo, producindose as una distorsin elstica.

Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita.Al elevar la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en austenita. que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal.

Si el acero se enfra despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y en perlita, pero si el enfriamiento es repentino, la austenita se convierte en martensita, de dureza similar a la ferrita, pero con carbono en disolucin slida.

Defectos cristalinosEl arreglo de los materiales cristalinos no es perfecto. Todos los metales son cristalinos. Las estructuras cristalinas que adoptan, as como las imperfecciones en el arreglo, determinan en buena medida muchas de sus propiedades.Las dislocaciones son responsables de la ductilidad de los metales. Si la pelcula continua creciendo y existe una diferencia de constante de red la energa del sistema se restablece por medio de dislocacionesUna dislocacin se extiende y multiplica

Vacantes

Impurezas intersticiales

Defectos reticularesImpurezas sustitucionales (de menor radio)Impurezas sustitucionales(de mayor radio)

Resistencia mecnica y dislocacionesCuando el metal es deformado en fro su dureza y resistencia aumentan, esto es debido a que las dislocaciones experimentan gran dificultad para deslizarse y solo lo hacen en cantidad limitada bajo esfuerzos muy elevados.

Defectos superficiales

AleacionesEn una aleacin los elementos aleantes pueden existir como tomos aislados alojados en la red cristalina como intersticiales o sustitucionales, tambin pueden formar compuestos. El conocimiento de la estructura cristalina de los elementos permite comprender mejor sus propiedades y su desempeo en aplicaciones prcticas. Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleacin

Aluminio: se emplea como elemento de aleacin en los aceros de nitruracin.

Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en caliente. Se usa en los aceros rpidos para herramientas.

Cromo: aumentar la dureza y la resistencia a la traccin de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad.Boro: logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero est totalmente desoxidado

Estao: es el elemento que se utiliza para recubrir lminas muy delgadas de acero que conforman la hojalata.

Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, as como su tenacidad. Los aceros inoxidables austenticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosin.Manganeso: se aade como elemento de adicin para neutralizar la influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado lquido en los hornos durante los procesos de fabricacin.

Nitrgeno: se agrega a algunos aceros para promover la formacin de austenita.

Nquel: El nquel hace descender los puntos crticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente ms bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios.Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en l en forma de pequesimos glbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fcil mecanizacin por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte.

Silicio: Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.

Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero.

Tungsteno: tambin conocido como wolframio. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y dursimos, soportando bien altas temperaturas.

Concreto

Yeso