2. Estructura de los Materiales

Objetivo General: Estudiar la estructura cristalina, metálica, vitrea y granular de los materiales.

Objetivos Específicos:

Identificar tendencias en la tabla periódica para radio atómico, iónico y electronegatividad.
Identificar los tipos de enlaces en los compuestos.
Identificar los siete sistemas cristalinos y los 14 retículos cristalinos.
Calcular el volumen de una celda unidad a través de los parámetros reticulares.
Calcular la densidad atómica a través de direcciones, planos, y volúmenes en una celda unidad.
Calcular la densidad de un compuesto a partir de su estructura cristalina y peso atómico.
Localizar e identificar los sitios intersticiales en una estructura cristalina.
Asignar coordenadas a un punto de red, índices a una dirección e índices de Miller a un plano en una celda unidad.
Usar la Ley de Bragg para realizar conversiones entre ángulo de difracción y espacio interplanar.

Competencia a desarrollar:

Conocer los tipos de microestructura de los materiales y relacionarla con sus propiedades adecuadamente para realizar la selección de materiales.

Guía de Materiales de Ingeniería Química:

2_Organización atómica

Ejercicios de Estructura de los Materiales:

1. Identifique los siguientes planos indicando sus índices de miller

2. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe la naturaleza de las dislocaciones en un material amorfo?

a) Los materiales amorfos no pueden contener dislocaciones.

b) La densidad de dislocaciones en un material amorfo es normalmente menos que la densidad de dislocación en un material cristalino con la misma composición.

c) La densidad de dislocaciones en un material amorfo es normalmente mayor que la densidad de dislocaciones en un material cristalino con la misma composición.

d) Una dislocación en un material amorfo debe ser de borde.

5. ¿Cuáles son los planos preferenciales de deslizamiento en un material con una celda unidad FCC y en uno con una celda unidad BCC?

6. (a) La energía de superficie de un cristal depende de la orientación cristalográfica con respecto a la superficie. Explique a que se debe esto

(b) La energía de límite de grano de un límite de grano de ángulo pequeño es menor que uno de ángulo elevado ¿Porqué es esto?

7. Usted fue asignado como ingeniero de procesos en la planta de flexicoking en la refinería de Cardón, ¿que material (de acuerdo a sus propiedades, estructura y procesamiento) utilizaría en cada uno de los siguientes casos? Explique.

El refractario en un horno de precalentamiento de crudo.
Material de protección externa de un separador que opera a alta temperatura para evitar el contacto directo del aislante con el ambiente.
Tubería de transporte de crudo con alto contenido de sulfuro de hidrógeno (condiciones corrosivas con respecto al acero al carbono).

8. En una planta petroquímica ocurrió un evento que consistió en la ruptura y fuga de agua de enfriamiento y gases de un intercambiador de calor, producido por una falla por corrosión de los tubos y posterior fractura de la carcaza por un aumento de presión. El comité de investigación asignado para estudiar las causas del evento asignó al ingeniero de materiales la tarea de analizar el material de construcción del intercambiador de calor. El ingeniero de materiales tomó muestras de los tubos y la carcaza para realizar pruebas de laboratorio. El informe entregado por el ingeniero de materiales contenía los siguientes datos:

El parámetro reticular del metal de la carcaza a_o=0,28664 nm a 25°C.
La densidad del material de la carcaza es 0,141 gmol/cm³
Los factores de empaquetamiento planar en los planos (1 0 0), (1 1 0) y (1 1 1) del metal de los tubos son 0,7854, 0,555 y 0,907 respectivamente.
Un rayo X difractado sobre una muestra del metal de los tubos posee un ángulo 2θ de 76,5 grados en el plano (2 2 0) cuando rayos X de longitud de onda de 0,15418 nm son usados.
Los fabricantes de la carcaza reportaron lo siguiente: “el procesamiento del metal se realizó durante 2 horas para llevar la concentración de carbono en el metal de 0,2% a 0,5% a una distancia de 0,5 mm debajo de la superficie. Se utilizó una atmósfera carburizante con 1,10% de C en la superficie con una temperatura de 800°C”.
Se estudió la resistencia a la fractura a través del esfuerzo cortante crítico producido sobre la carcaza, para ello se utilizó una muestra del material para producir el deslizamiento en el sistema [0 1] (1 1 1).

Identifique los materiales con que estaban construidos la carcaza y los tubos. Justifique su respuesta.
¿Era adecuada la temperatura utilizada por el fabricante de la carcaza? Justifique su respuesta.
Determine la tensión sobre el eje [0 0 1] que podía resistir el material si el esfuerzo cortante crítico medido fue de 2040 psi.

9. En una refinería se han reportado pérdidas en un tanque esférico de 2 m de diámetro y 1 cm de espesor hecho de acero FCC que contiene nitrógeno a 700°C. La concentración de la superficie interna es 0,05% átomos y en la superficie externa es 0,002% átomos. ¿Cuántos cm³ cúbicos de nitrógeno a condiciones estándar se pierden en el tanque por año?

Datos:

Radios atómicos:

Al – FCC: 0,143 nm; Ni – FCC: 0,125 nm; Oro – FCC: 0,144 nm; Fe – BCC: 0,1241 nm; Fe – FCC: 0,1269 nm; Ti – HCP: 0,147 nm; Zn – HCP: 0,137 nm; Pb – FCC: 0,175 nm.

Coeficientes de difusión del metal de la carcaza del intercambiador a 300 y 912°C:

D = 1,18*10^-10 cm²/s a 300°C

D = 1,51*10^-6 cm²/s a 912°C

Difusión de C en Fe FCC: Ea=32900 cal/mol, Do=0,23 cm²/s

Difusión de N en Fe FCC: Ea=34600 cal/mol, Do=0,0034 cm²/s