Materials

Estructura electrònica. Reactivitat i enllaç Energia d’enllaç És l’energia entre dos àtoms necessària per separar-los infinitament. Tipus d’enllaç Es diferencien bàsicament dos tipus d’enllaços, i les seves combinacions: ·         Primaris o forts: o   Iònic: entre àtoms de càrrega diferent, és a dir, entre metalls i no metalls. Es genera una distribució tridimensional que busca la neutralitat. Es tracta d’enllaços no direccionals (mateixa magnitud d’enllaç en qualsevol direcció). D’aquests en deriven materials sòlids. o   Covalent: és una compartició d’electrons entre àtoms no metalls, normalment de fins a tres parells. Aquest sí que és un enllaç direccional, i és per això que depenent de la distribució d’aquests el material tingui unes propietats o unes altres. Componen molècules. o   Metàl·lic: es tracta d’una cessió d’electrons per part d’elements metalls i que en no pertànyer a cap nucli en concret (són mòbils) creen un núvol d’electrons que envolten els àtoms. Aquest també és un enllaç no direccional. Aquests materials són metalls (purs o aliats), bons conductors elèctrics i brillen. ·         Secundaris o de Van der Waals: apareixen arran d’un dipol (degut a la separació entre la regió positiva i negativa) oscil·lant el qual busca afinitat de càrregues (de  a , o a l’inrevés). Són molt dèbils en comparació als primaris. ·         Compostos: són semiconductors. ·         Materials funcionals: creats per a una propietat concreta. De tots ells els materials resultants són: ·         Ceràmics: o   Sòlids amb un enllaç completament covalent. o   Sòlids amb un enllaç completament iònic. o   Sòlids amb totes les gradacions possibles entre enllaç iònic i covalent. o   Amb els dos tipus d’enllaç. ·         Materials moleculars/polímers: hi intervenen enllaços dèbils i covalents. Els primers tenen una temperatura d’ebullició i fusió relativament baixes.  Estructura cristal·lina Una xarxa cristal·lina és la repetició d’un enllaç distribuït en una forma geomètrica (l’entitat que es repeteix s’anomena cel·la unitat) que s’estén tridimensionalment: sòlid cristal·lí. Quan això no succeeix el sòlid resultant es considera amorf. Estructura cúbica Cada cel·la unitat té aquesta forma: cúbica, i cadascun dels seus vèrtex coincideix amb el centre d’un àtom. Pot tenir vàries distribucions: ·         Simple: només es troba un àtom en cada vèrtex de cub, tangents entre si. A cada vèrtex li correspon 1/8 d’àtom, i sumant-los tots s’obté que en total 1 compon la cel·la. ·         Centrat en el cos (BCC): a la simple se li afegeix un al centre, també tangent a tots els altres. Per tant, hi ha dos àtoms nets a la cel·la. (Seqüència d’apilament: 414141...) ·         Centrat en les cares (FCC): a la simple se li afegeix un àtom a cada cara, de manera que en total n’hi ha 4. Els àtoms que cristal·litzen d’aquesta forma presenten més facilitat per deformar-se permanentment perquè tenen el que es coneix com a pla de compacitat. Sobre aquest, és fàcil lliscar. Depenent de l’espai que queda lliure a cada cel·la (factor d’empaquetament) l’estructura té unes propietats o unes altres: , sent n el nombre d’àtoms de la cel·la. Per trobar els valors de  s’estableix una relació entre  i  en funció de la distribució de la cel·la: ·         BCC:  . Aquesta cel·la està ocupada un 68%. ·         FCC:  . Aquesta cel·la està ocupada un 74%. Estructura hexagonal compacte (HC) En aquest cas els àtoms no es distribueixen en una cel·la cúbica. Consisteix en una base (superior i inferior) hexagonal de costat  amb un àtom a cada vèrtex tangents entre ells i al situat al centre de la cara. Al centre hi ha tres àtoms formant un triangle equilàter, que en total sumen 6.             El seu F.E. varia amb la relació entre  i ; quan , quan  és menor, significa que els àtoms estan comprimits, i quan és major, que estan estirats. (Seqüència d’apilament: ABABAB...) Materials cristal·lins i no cristal·lins Monocristal·lins Són aquells en què la disposició dels àtoms és perfectament periòdica i repetitiva i s’estén al llarg de tota la mostra. Els abrasius[1] són un cas concret de monocristal·lins. Policristal·lins Són els formats per més d’un tipus de cristall. Acostumen a sorgir d’un metall líquid en solidificar. A mesura que es refreda es van creant nuclis que augmenten la seva mida competint uns amb els altres per l’espai, i cadascun amb un ordre propi. Deixen de créixer quan topen amb el nucli adjacent. En aquest moment se’ls anomena grans i la distància que els separa es coneix com límit de gra (es representa com una línia però és un defecte de superfície).  Imperfeccions en estat sòlid Solucions sòlides Les dissolucions sòlides (o fases) es creen en ajuntar àtoms de solut (menor quantitat) amb àtoms de dissolvent , mantenint l’estructura cristal·lina i no formant-se cap de nova. Són molt freqüents els aliatges, que combinen varis elements per formar materials amb propietats noves a les existents. L’exemple més comú és el del coure i níquel (Cu-Ni). Classificació dels defectes Puntuals No tenen cap dimensió. Són les vacants, les impureses , intersticis... ·         Vacant: lloc ocupat normalment per un àtom, ara absent. Es produeixen durant la solidificació i també com conseqüència de les vibracions (que els desplacen de les seves posicions reticulars normals). ·         Autointersticial: en aquest cas un àtom del mateix cristall es desplaça a un punt intersticial que habitualment no està ocupat. Lineals D’una dimensió, les anomenades dislocacions. Es creen durant la solidificació dels sòlids cristal·lins o en una deformació plàstica. Donen lloc a una distorsió de xarxa centrada al voltant d’una línia. N’hi ha tres tipus: ·         De cunya: inserció d’un semiplà addicional d’àtoms dins d’una xarxa. El desplaçament dels àtoms es fa seguint el vector de Burgers (b, que indica la magnitud i direcció), perpendicular al semiplà. ·         Helicoïdal: es forma en aplicar una força de cisallament. En aquest cas el vector de Burgers és paral·lel a la línia de dislocació. ·         Mixtes: sovint les dislocacions no són exclusivament d’un tipus, sinó que combinen components d’ambdues tipologies. Superficials Com el seu nom indica és de dues dimensions; una zona d’alteració de l’enllaç atòmic. Se’n distingeixen:·       Límit de gra: tot i representar-se amb una línia, és una superfície. És la frontera entre dos grans amb diferents orientacions cristal·logràfiques en materials policristal·lins. ·         Macla: diferència d’orientació interna en un gra (ofereix una imatge especular). L’aplicació d’un esforç de cisallament por desplaçar lleugerament els àtoms al llarg de la macla. Quan més a prop del pla, menor és el desplaçament que han de realitzar els àtoms. ·         D’apilament: manca d’un dels plans d’apilament dels àtoms. Volumètrics Són majors que els anteriors: esquerdes, pors, inclusions... S’introdueixen en les etapes de fabricació. Defectes en solucions sòlides ·         Intersticial: entre els àtoms de la xarxa de l’element A es troben àtoms d’un element B, de radi molt petit en comparació al de A. ·         Substitucional: els àtoms del solut ocupen posicions de la xarxa del dissolvent. És necessari que els àtoms tinguin una mida similar, i és freqüent entre metalls. Les regles de Hume-Rotery descriuen característiques que quan més es compleixin, millor serà la solució: 1.       Quanta més semblança de mida més probable (diferència de radi menor de 15%). 2.       Els dos metalls han de tenir la mateixa estructura cristal·lina. 3.       Electronegativitat similar. 4.       Valències iguals. Quan més diferents, més tendència a formar compostos. [1] Material utilitzat per tallar, afilar o polir

Predicció de la velocitat de corrosió Polarització Variació del valor de potencial de cada elèctrode i el sobrevoltatge n’és la magnitud. N’hi ha dos tipus:Activació: la velocitat de reacció està controlada per l’etapa de la sèrie que ocorre a menor velocitat. Transcorre mitjançant vàries etapes: Adsorció[2] dels ions a la superfície del metall. Transferència d’electrons, que combinats amb els ions, creen àtoms. Combinació dels àtoms. Coalescència[3] de les molècules de . En aquest tipus de polarització el sobrevoltatge es calcula: ; on  és la densitat de corrent d’intercanvi i  varia segons si és una reacció d’oxidació o reducció.Existeix equilibri quan els dos processos es donen a la mateixa velocitat, és a dir: .Concentració: quan les velocitats de reaccions són altes i/o les concentracions d’ions (seguint l’exemple d’abans, ) són baixes, se’n limita la difusió a la intercara i apareix una zona d’esgotament. Passivació Tots, absolutament tots els metalls s’oxiden. Però n’hi ha alguns que aparentment no ho fan. Aquests són els passius.Es diu que un material esdevé passiu quan en procés d’oxidació té fortament adherida una capa d’òxid que actua com a barrera. En aquest moment la velocitat de corrosió disminueix, arribant gairebé a ser nul·la, sempre que la capa no es trenqui. Quan se sobrepassa la densitat de corrent crítica i la densitat disminueix, i es diu que el metall està passivat. Això es manté fins que s’arriba a un potencial en què comença a augmentar. Tipus de corrosió ·         Atac uniforme: és, probablement, la forma més comuna de corrosió. Les reaccions d’oxidació i reducció es donen en llocs a l’atzar i són d’igual intensitat en tota la superfície exposada.·         Galvànica: causada per una diferència de potencial. El metall més actiu experimenta corrosió i l’inert (càtode) en queda protegit.·         Aireació diferencial: succeeix en zones molt petites entre dos materials on no hi ha contacte amb l’oxigen.·         Per picadures: aparició de cràters/picadures que penetren perpendicularment a la superfície. Així es redueix la zona resistent del material.·         Intergranular: desintegració de la mostra al llarg dels límits de gra.·         Eliminació selectiva: es dóna en els aliatges on un dels components té més tendència a oxidar-se.·         Erosió: en zones on circulen fluids que a part de la seva pròpia acció corrosiva, arrosseguen partícules que erosionen la superfície.·         Per tensions mecàniques: en aplicar tensions es generen dislocacions que provoquen fissures que queden obertes a l’exterior i es corroeixen. Prevenció contra la corrosió Prevenció catòdica L’element que es vol protegir s’uneix amb un element amb més tendència corrosiva i així esdevé càtode i no s’oxida. Ànode de sacrifici Amb el mateix concepte que en el cas anterior, l’element que es vol protegir es recobreix d’un material amb tendència a oxidar-se. L’acer recobert de zinc líquid n’és un exemple. Pilling-Bedworth (P-B) És una relació per establir si l’òxid és protector o no. En general te caràcter protector si la relació val entre 1 i 2, quan sigui menor de 1 o major de 2 en principi no ho serà, tot i que es contemplen algunes excepcions. [2] Atracció[3] Unió

Difusió Gran part dels processos i reaccions en el tractament de materials es basen en la transferència de massa, intrínsicament lligada a la difusió: fenomen de transport per moviment atòmic. En totes les reaccions cal una energia d’activació concreta. Mecanismes de difusió A nivell atòmic, la difusió consisteix en l’emigració dels àtoms d’un lloc de la xarxa a un altre. Perquè aquesta mobilitat sigui possible cal: 1) un lloc veí buit, i 2) l’àtom ha de tenir prou energia com per trencar els enllaços veïns i distorsionar la xarxa durant el seu desplaçament. Interdifusió Difusió d’un material en un altre. S’aprecia pels canvis de concentració amb el temps. El procés comença on n’hi ha menys i fins on n’hi ha més, amb tendència a equilibrar-se. Autodifusió Difusió en el propi material. Els canvis de posició dels àtoms en el mateix material no provoca cap canvi. Per vacants Implica el canvi d’un àtom des d’una posició reticular a una vacant propera. El nombre de vacants augmenta amb la temperatura, en el cas dels metalls incrementa considerablement. Intersticial Més ràpida que la difusió per vacants, ja que les posicions intersticials existeixen sempre i no requereixen una aportació d’energia. La mida dels àtoms que es desplacin a posicions intersticials ha de ser molt petita en comparació amb els de la xarxa. És freqüent amb soluts com l’hidrogen, el carboni, el nitrogen o l’oxigen. Estats de difusió Estacionari L’objectiu és determinar el flux net d’àtoms que es difonen perpendicularment a través d’una unitat d’àrea per una unitat de temps. La seva expressió matemàtica és: , en  o . Per expressar el mateix concepte però en una direcció concreta ( ) es recorre a la primera llei de Fick: ; on  és la difusivitat (pròpia de cada material),  la diferència de concentració d’àtoms i el quocient  es coneix com gradient de concentració.El coeficient de difusivitat es pot trobar segons la fórmula: .En estat estacionari es compleix que el flux de difusió no canvia amb el temps. No estacionari En aquesta situació tant el flux de difusió com el gradient de concentració varia amb el temps i en l’espai. En tal cas és convenient utilitzar la següent equació, denominada segona llei de Fick: . S’està prenent  com una constant tot i que depèn de . En unes condicions límit es traduiria com: ; on  és la concentració a la distància de la superfície transcorregut ,  la concentració superficial, i  la concentració inicial uniforme. Factors de la difusió En els valors de  hi intervenen diferents factors:·         Mecanisme de difusió: segons si és intersticial o substitucional. En el primer cas l’energia d’activació serà menor.·         Temperatura: és directament proporcional a la difusivitat.·         Tipus d’estructura de la xarxa dissolvent: el factor d’empaquetament és inversament proporcional a la difusivitat.·         Tipus d’imperfeccions cristal·lines: el nombre de vacants és directament proporcional al coeficient de difusivitat.·         Concentració dels elements difusors: en aquest cas la concentració de solut també és directament proporcional. Deformació plàstica permanent El moviment de la dislocació d’un costat a un altre del cristall produeix deformació plàstica: la part baixa del cristall es mou una distància b respecte la part superior.El procés mitjançant el qual es produeix la distorsió s’anomena lliscament, i ho fa al llarg del pla de lliscament. Per poder lliscar dos plans cristal·logràfics entre si caldria la tensió ideal, però els resultats experimentals mostren que la real és molt menor degut a la presència de defectes en l’estructura atòmica.Enlloc de fer saltar tots els àtoms o plans atòmics alhora, ho fan un a un. Per tant, és més rendible aprofitar una dislocació ja existent que crear-ne una altra. Existeixen, com ja s’ha dit anteriorment tres tipus de dislocacions: de cunya, helicoïdal i mixta. Deformacions en policristal·lins Lliscament Sistema de lliscament: pla de lliscament (el que té més densitat planar d’àtoms) + direcció de lliscament (la que té major densitat lineal, dins el pla). Maclat En aquest cas, un cop realitzat el desplaçament els àtoms situats a la part inferior del pla (de maclat) queden com imatges especulars del superior. Ocorre en metalls amb estructures HCP i BCC, a temperatures baixes i a altes velocitats de l’impacte. La deformació que produeix en comparació amb el sistema de lliscament és molt petita, però el seu gran avantatge és que pot col·locar nous sistemes de lliscament en orientacions favorables respecte l’eix de tracció, de manera que ara el lliscament es pot produir fàcilment. Mecanismes d’enduriment dels metalls La capacitat d’un metall per deformar-se plàsticament depèn de la capacitat de les dislocacions per moure’s. En el cas d’un material en el qual les dislocacions no es mouen, es converteix en més dur i resistent.La resistència que un material oposa al moviment de dislocació es veu afavorida per la pròpia del cristall (major en enllaços covalents i menor en els metàl·lics) i altres defectes com fronteres de gra, impureses, partícules i altres dislocacions.Els mecanismes d’enduriment són:·         Mida de gra: en reduir-la augmenta el nombre de fronteres de gra, fet que proporciona major resistència per dos motius: 1) dos grans tenen orientacions diferents , de manera que per passar d’un a l’altre una dislocació hauria de canviar la seva direcció i això esdevé més difícil a mesura que augmenta la diferència d’orientació, i 2) el desordre atòmic dins del límit de gra produirà una discontinuïtat dels plans de lliscament d’un gra a un altre.·         Solució sòlida: consisteix en aliar metalls amb àtoms d’impureses per formar solucions sòlides intersticials o substitucionals. Les impureses generen distorsions a la xarxa i això dificulta la seva mobilitat. Si l’àtom que s’afegeix té un radi més petit que el de la xarxa generarà esforços de tracció, mentre que si és més gran, aquests seran de compressió.·         Deformació en fred: aquest fenomen succeeix a temperatura “freda” en comparació a la temperatura de fusió dels metalls. Consisteix en transformar un metall dúctil en un més resistent, mitjançant la deformació plàstica. S’explica en base a les interaccions entre les dislocacions. En provocar la deformació en un metall incrementa el nombre de dislocacions, que queden molt més juntes, i en promig, les interaccions d’una amb l’altre són repulsives. De forma que el moviment d’una dislocació queda frenat per la presència d’una altra. Corrosió Els metalls, com a conseqüència del contacte amb el medi ambient, pateixen reaccions degudes als següents factors: aire, humitat i temperatura. Els seus efectes variaran segons si el medi és salí o àcid.·        metalls+oxigen+calor=oxidació·        metalls+oxigen+humitat=corrosió atmosfèrica·        metalls+àcids=corrosió química·        polímers+medi ambient=degradació Corrosió electroquímica És una reacció d’oxidació-reducció (redox) que consisteix en una transferència d’electrons: el reactiu oxidant (càtode) els guanya i el reductor (ànode) els cedeix. La reacció global és, doncs, el resultat de la semireacció d’oxidació ( ) per una banda, i la de reducció per l’altra. Semireacció de reducció Aquesta pot ser de diferents formes en funció del medi.·         Dissolució àcida amb elevada concentració d’ions hidrogen, com el cas de la pluja àcida. .·         Dissolució àcida amb oxigen dissolt. .·         Dissolució aquosa neutra o bàsica amb oxigen dissolt. .·         Ions metàl·lics: un ió metàl·lic en captar electrons por reduir la seva valència o arribar a l’estat neutre.  / . Cèl·lules electroquímiques Estan formades per dos elèctrodes (ànode i càtode), cadascun en contacte amb una solució,  units mitjançant l’electròlit. El potencial de la cèl·lula és la diferència entre ells: . Per definició la reacció que es produeix en una cèl·lula electroquímica és espontània, de forma que . I sabent que , es dedueix que . Equació de Nernst El potencial de la reacció es podria calcular segons la diferència de tensió galvànica dels elèctrodes, normalitzada en una taula per la majoria dels metalls. Però només és vàlida en condicions estàndard (C.E.). De manera que el més freqüent és recórrer a l’equació de Nernst: ; on  i  corresponen a l’ànode,  i  al càtode i  i  representen els electrons que intercanvien respectivament (si coincideixen no esdevé , es manté  només).La fórmula es pot modificar i adaptar de dues formes:·         Substituint les constants i passant a base 10·         El mateix cas anterior i fixant la temperatura a 298K Velocitat de corrosió ·         Velocitat de penetració de la corrosió: és la pèrdua d’espessor de material per unitat de temps.·         Velocitat molar de corrosió: en funció de la densitat del corrent.

Página 1

Página 3

Página 2