chute-diseño

8/17/2019 chute-diseño

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Universidad Austral de ChileFacultad de Ciencias de la Ingeniería

Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles

“OBTENCION DE LE CIONES TERN RI S EN

B SE COBRE US NDO LE DO MEC NICO P R

SU USO EN F CH D S Y TECHUMBRES”

Profesor Patrocinante:

Sr. Claudio Aguilar Ramírez.

Ingeniero Civil en Metalurgia.

Doctor en Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Tesis para optar al título de:Ingeniero Civil en Obras Civiles


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Mis más sinceros y afectuosos agradecimientos a mis padres

Arturo y Patricia, que gracias a su amor y apoyo

incondicional he alcanzado este logro en mi vida, ya que sin

ellos no sería nada. Esta tesis se las dedico a ustedes.

A mi hermanita Antonia, por su amor y alegría en esos días

difíciles. Además por ser mi motivación en el término de mismetas, para así poder entregarle todo lo que necesite.

A mi novio y amigo Miguel, por creer siempre en mí. Por

entregarme estabilidad, amor y seguridad. Además que

nuestros proyectos han sido una motivación fundamental para

el termino de este proceso.

A mi profesor Patrocinante Claudio Aguilar, por ser una

excelente persona, entregándome apoyo y preocupación eneste desafío.

A esos pocos familiares, que de alguna u otra forma me han

tendido la mano, sobretodo mi abuelito Tomás que me cuidan

desde el cielo, que aunque no esté presente se que se siente

orgullo de mí.

A mis queridas amigas, que siempre han estado conmigo, en

las buenas y en las malas, entregándome su cariño sin pedirme nada a cambio.

A todos los del Instituto de Materiales y Procesos

Termodinámicos, por siempre estar dispuestos a ayudarme.

¡¡¡A todos ustedes Gracias!!!


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INDICE TEMATICO

Pág.

CAPITULO I: INTRODUCCION Y OBJETIVO 1

1.1.- INTRODUCCION 1

1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 2

1.3.- OBJETIVOS 2

1.3.1.- Objetivos General 2

1.3.2.- Objetivos Específicos 2

1.4.- HIPOTESIS 3

CAPITULO II: ASPECTOS TEORICOS 4

2.1.- Inicios del AM 4

2.2.- Definición de AM 4

2.3.- Ventajas y desventajas de AM 4

2.4.- Materiales nanocristalinos 5

2.5.- Materias primas 6

2.6.- Mecanismo de Aleación 6

2.7.- Molinos usados para realizar AM 7

2.7.1.- Molino SPEX 8

2.7.2.- Molino planetario 9

2.7.3.- Molino atritor 10

2.8.- Variables que afectan el proceso de AM 12

2.9.- Aplicaciones en fachadas y techumbres 14

2.9.1.- Materiales en base a cobre utilizados actualmente como fachada 14

2.9.2.- Materiales en base a cobre utilizados actualmente como techumbre 29

CAPITULO III: DESARROLLO EXTERIMENTAL 31

3.1.- Características de los materiales y equipos 31


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3.3.2.- Microscopía electrónica de barrido 34

3.3.3.- Metalografía 34

3.3.4.- Análisis de dureza Brinell 38

3.3.5.- Difracción de rayos x 38

CAPITULO IV: RESULTADOS, CALCULOS Y DISCUSION 55

4.1.- Espectroscopia de absorción atómica 55

4.2.- Microscopía electrónica de barrido (MEB) 58

4.3.- Metalografía 64

4.4.- Análisis de dureza Brinell 69

4.5.- Difracción de rayos X 75

4.5.1.- Metodología de Williamson-Hall Clásica (WHC) 75

• Tamaño cristalitas (D) 82

• Microdeformación (1/2) 84

4.5.2.-

Metodología de Warren-Averbach Clásica (WHC) 86

• Tamaño cristalitas (L) 94

• Microdeformación (1/2) 95

4.5.3.- Densidad de dislocaciones (ρ) 96

4.5.5.- Energía de falla de apilamiento (EFA) 98

4.5.5.- Parámetro de red (a) 100

4.5.6.- Probabilidad de falla de apilamiento (α) 102

4.6.- Calorimetría diferencial de barrido (DSC) 104

CAPITULO V: CONCLUSIONES 105

BIBLIOGRAFÍA 107


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INDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1: Arreglo esquemático de átomos en un material nanocristalino 6

Figura 2: Proceso de molienda al interior del molino atritor 7

Figura 3: Molino Spex 8

Figura 4: Contenedores de acero inoxidable 9

Figura 5: Molino planetario 10

Figura 6: Movimiento de los contenedores dentro del molino planetario 10

Figura 7: Molino atritor 11

Figura 8: Puerto de Barcelona con fachada TECU Classic 15

Figura 9: Hotel Dornbirn con fachada TECU Patina 16

Figura 10: Cine de Paris con fachada TECU Oxid 17

Figura 11: Oficina de la Fifa en Zürich con fachada TECU Zinn 17

Figura 12: Almere fachada TECU Brass 18

Figura 13: Trescore fachada TECU Bronce 19

Figura 14: Pabellón Münster fachada TECU Gold 19

Figura 15: Edificio con sistema de fachada TECU Net 20

Figura 16: Edificio con sistema de fachada TECU Bond 21

Figura 17: Edificio con sistema de fachada TECU Paneles 22

Figura 18: Edificio con sistema de fachada TECU cassetes 22

Figura 19: Bodega Casona Micaela, Villa Verde de Trucio, Fachada 23TECU Classic

Figura 20: Edificio Tecma, Alzira. Fachada de cobre preoxidado, TECU Oxid 24

Figura 21: Hotel Oasis Plaza, España. Fachada de cobre prepatinado, 25TECU Patina

Figura 22: Esquema junta alzada horizontal sobre fachada ventilada 25

y junta alzada vertical sobre fachada ventilada

Figura 23: Esquema junta plana sobre fachada ventilada 26

Figura 24: Esquema panel de fachada 27

Figura 25: Casa en Algarrobo con fachada creada con LEC 28

Figura 26: Revestimiento de fachada metálica de cobre de cassetes 28


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Figura 27: Techumbre del Santuario San Nicolás de Argentina, fabricada 29por Nielol

Figura 28: Techumbre tradicional Luvata 30

Figura 29: Techumbre de cobre prefabricada (doble junta alzada) 30

Figura 30: Teja de cobre tipo colonial 30

Figura 31: Durómetro Time Group Inc, modelo TH170 36

Figura 32: Esquema de funcionamiento y montaje de un difractómetro 37

Figura 33: Esquema sobre ensanchamiento de máximo de intensidad 38de difracción proveniente de diferentes fuentes

Figura 34: Difracción de Rayos X 39

Figura 35: (a) Representación gráfica de la ley de Bragg y (b) Red 40recíproca que satisface la ley de Bragg

Figura 36: Solución grafica ecuación 3.11 para una muestra Cu-1% en 42peso de Cr molida 30 minutos

Figura 37: Esquema tamaño columna que se obtiene por el método de WA 45

Figura 38: (a) tamaño de dominios coherentes de difracción y (b) Re y 47

ρ por medio de la ecuación 3.20

Figura 39: Esquema del desplazamiento de los perfiles de difracción en 50un material con presencia de defectos de apilamiento en el plano

{111}

Figura 40: Evolución de la cantidad de cada elemento de la aleación 53Cu-5Cr-5Mo en función de las horas de molienda



Figura 43: Evolución de la cantidad de cada elemento de la aleación 55Cu-5Cr-5Mo en función de las horas de molienda y latemperatura

Figura 44: Evolución de la cantidad de cada elemento de la aleación 56Cu-15Cr-15Mo función de las horas de molienda y latemperatura

Figura 45: Análisis EDX de la de la aleación Cu-5Cr-5Mo a 50 horas 57de molienda

Figura 46: Imágenes MEB. (a) Cu a 0,5 horas, (b) Cu a 8 horas, 58(c) Cu-5Cr-5Mo a 32 horas de molienda y (d) Cu-5Cr-5Moa 50 horas de molienda

Fig ra 47 Tamaño de partíc las en f nción del tiempo de molienda 58


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Figura 48: Evolución tamaño de partículas en función del tiempo de 59molienda de la aleación Cu-5Cr-5Mo

Figura 49: Imágenes obtenidas por MEB que muestran la evolución 61

del tamaño de partículas en aleaciones expuestas a temperatura,en este caso la aleación Cu-15Cr-15Mo, molidas a 32 horas

Figura 50: Imágenes obtenidas por MEB que muestran la evolución 62del tamaño de partículas en aleaciones expuestas a temperatura,en este caso la aleación Cu-15Cr-15Mo, molidas a 100 horas

Figura 51: Imágenes obtenidas por microscopio metalográfico. 63(a) Cu puro, (b) Cr puro y (c) Mo puro

Figura 52: Tamaño de granos del cobre, cromo y molibdeno, puros 63

sin moler

Figura 53: : Aleación Cu-5Cr-5Mo molidas a diferentes horas. 64(a) 32 horas, (b) 50 horas, (c) 75 horas y (d) 100 horas

Figura 54: Tamaño de granos de la aleación Cu-5Cr-5Mo a diferentes 65horas de molienda

Figura 55: Aleación de Cu-5Cr-5Mo molidas a diferentes horas y 66expuestas a diferentes temperaturas. (a) 32 h-300ºC,(b) 32 h-600ºC, (c) 100 h-300ºC y (d) 100 h-600ºC

Figura 56: Tamaño de granos de la aleación Cu-5Cr-5Mo a diferentes 67temperaturas y horas de molienda

Figura 57: Dureza Brinell de la aleación Cu-10Cr-10Mo a variadas 67horas de molienda

Figura 58: Dureza Brinell de la aleación Cu-10Cr-10Mo y Cu-5Cr-5Mo 68a 75horas de molienda

Figura 59: Efecto del trabajo en frío en las propiedades mecánicas 73del cobre

Figura 60: Gráfica de Williamson-Hall para la aleación Cu-5Cr-5Mo 74a difentes horas de molienda

Figura 61: Gráfica de Williamson-Hall para la aleación Cu-10Cr-10Mo 75a diferentes horas de molienda


Figura 63: Gráfica de Williamson-Hall para la aleación Cu-5Cr-5Mo 78

a diferentes horas de molienda y temperatura


Figura 65: Evolución del tamaño de cristalita en función del tiempo 81de molienda (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y(c) Cu-15Cr-15Mo


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Figura 66: Evolución del tamaño de cristalita en función del tiempo y 81temperatura (a) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 300ºC y(b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC

Figura 67: Evolución de la microdeformación. (a) Cu-5Cr-5Mo, 83(b) Cu-10Cr-10Mo y (c) Cu-15Cr-15Mo

Figura 68: : Evolución del tamaño de la microdeformación en función 83del tiempo y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Moa 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC

Figura 69: Coeficiente A S L

y 1/2 para cobre puro sin moler 84


y 1/2 para la aleación Cu-5Cr-5Mo a 86

diferentes horas de molienda









diferentes horas de molienda y temperatura

Figura 74: Coeficiente A S L y 1/2 para la aleación Cu-15Cr-15Mo a 91diferentes horas de molienda y temperatura

Figura 75: Tamaño de cristalitas promedio obtenidos por medio de la 93metodología de Warren-Averbach. (a) Cu-5Cr-5Mo,(b) Cu-5Cr-5Mo a 300ºC y (c) Cu-5Cr-5Mo a 600ºC

Figura 76: Valores de < ε250>1/2 en función del tiempo de molienda. 94

(a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-5Cr-5Mo a 300ºC y(c) Cu-5Cr-5Mo a 600ºC

Figura 77: Evolución de densidad de dislocaciones en función del 95tiempo de molienda. (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y(c) Cu-15Cr-15Mo

Figura 78: Evolución de densidad de dislocaciones en función del 96tiempo de molienda tiempo y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo yCu-15Cr-15Mo a 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC

Figura 79: Energía de falla de apilamiento en función del tiempo de 97molienda. (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y(c) Cu-15Cr-15Mo

Figura 80: Energía de falla de apilamiento en función del tiempo de 98molienda tiempo y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo yCu-15Cr-15Mo a 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC

Figura 81: Variación del parámetro de red en función del tiempo de 99molienda. (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y(c) Cu-15Cr-15Mo


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Figura 82: Variación del parámetro de red en función del tiempo de 100molienda y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo yCu-15Cr-15Mo a 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC

Figura 83: Evolución de probabilidad de falla de apilamiento en función 101del tiempo de molienda. (a) Cu-5Cr-5Mo, (b) Cu-10Cr-10Mo y(c) Cu-15Cr-15Mo

Figura 84: Evolución de probabilidad de falla de apilamiento en función 102del tiempo de molienda y temperatura. (a) Cu-5Cr-5Mo yCu-15Cr-15Mo a 300ºC y (b) Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 600ºC

Figura 85: Peaks exotérmicos debido a descomposición de aleación 102sobresaturada Cu-10Cr-10Mo


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INDICE DE ECUACIONES

Pág.

Ecuación 3.1: Ley de Bragg 38

Ecuación 3.2: Expresión vectorial de Ley de Bragg 39

Ecuación 3.3: Contribución al ensanchamiento debido al tamaño de 41cristalita

Ecuación 3.4: Ensanchamiento de los peaks de difracción 41

Ecuación 3.5: Suma de las ecuaciones 3.4 y 3.5 42

Ecuación 3.6: Expresión para el ajuste de Gauss 42

Ecuación 3.7: Expresión para el ajuste de Cauchy 42

Ecuación 3.8: Microdeformación promedio 43

Ecuación 3.9: Transformada de Fourier de los perfiles de difracción 43respectivos

Ecuación 3.10a: Coeficientes de Fourier 43

Ecuación 3.10b: Coeficientes de Fourier 43

Ecuación 3.11: Coeficientes de Fourier relacionado con el tamaño de 44cristalita y la microdeformación

Ecuación 3.12: Coeficientes de Fourier relacionado con el tamaño de 44cristalita y la microdeformación

Ecuación 3.13: Aplicación de logaritmo a la ecuación 3.12 44

Ecuación 3.14: La ecuación 3.13 escrita en función de los índices de 44reflexión

Ecuación 3.15: Modificación de la ecuación 3.14 45

Ecuación 3.16: Densidad de dislocación formal 45

Ecuación 3.17: Factor de contraste 45

Ecuación 3.18: Reemplazo de las ecuaciones 3.16 y 3.17 en la 46ecuación 3.15

Ecuación 3.19: Ecuación de Warren-Averbach modificada 46

Ecuación 3.20: Determinación de los valores ρ y Re 46

Ecuación 3.21: Ensanchamiento βd 48

Ecuación 3.22: Ecuación de Williamson-Hall modificada 48

Ecuación 3.23: Corrección de la ecuación de Williamson-Hall 48difi d


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Ecuación 3.24: Densidad de dislocaciones 49

Ecuación 3.25: Constante que para el cobre se ha estimado en 40 49

Ecuación 3.26: Expresión resumida que relaciona el desplazamiento 50de los perfiles de difracción con α

Ecuación 3.27: Expresión resumida que relaciona el desplazamiento 50de los perfiles de difracción con α

Ecuación 3.28: Resta de las ecuaciones 3.26 y 3.27 50

Ecuación 3.29: Energía de falla de apilamiento 51

Ecuación 3.30: Energía de falla de apilamiento para deformación 51anisotrópica


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INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 1: Comparación entre molinos de alta energía 11

Tabla 2: Valores U(g) para sistemas fcc 48

Tabla 3: Dureza brinell para diferentes revestimientos 69

Tabla 4: Grados de dureza brinell versus resistencia a la tracción 70

Tabla 5: Influencia de los diferentes defectos cristalinos en los 77materiales sobre la forma y posición de los perfiles de difracción


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RESUMEN

En Chile existen las minas más productivas de cobre en el mundo, por ello, se debe realizar másinvestigación y desarrollo para buscar nuevas aplicaciones. El objetivo general del presente

trabajo fue, estudiar la fabricación de aleaciones Cu-Cr-Mo, para mejorar las propiedades

mecánicas del cobre, orientadas al ámbito de la construcción. A través de métodos

convencionales, no es posible mejorar sustancialmente las propiedades de los materiales, por ello,

se utilizan procesos de no equilibrio para producir materiales avanzados. Los procesos de no-

equilibrio más tradicionales son; aleado mecánico, depositación de vapor, implantaciones de

iones entre otros. El aleado mecánico (AM) es un proceso muy versátil y sencillo de realizar. A

través del proceso señalado es posible aumentar la solubilidad sólida, evitar segregaciones,

producir materiales nanocristalinos. Por ello, se eligió el AM para producir aleaciones ternarias

base Cu con elementos con entalpía de mezcla positiva como Cr y Mo.

En este trabajo se comparan las aleaciones de los materiales que ya son usados como fachada y

techumbre en base a cobre, con las nuevas aleaciones base cobre con cromo y molibdeno. Las

aleaciones que se estudiarán son Cu-5%Cr-5%Mo, Cu-10%Cr-10%Mo y Cu-15%Cr-15%Mo (%

porcentaje en peso). Las muestras fueron procesadas en un molino SPEX 8000M en presencia de

Ar en contenedores de acero endurecidos con bolas del mismo material. La razón bolas/polvos

fue de 10.

Para caracterizar las aleaciones obtenidas por AM, se utilizan las siguientes técnicas:

Espectroscopia de absorción atómica, microscopía electrónica de barrido (MEB), metalografía,

análisis de microdureza, difracción de rayos x (DRX) y calorimetría diferencial de barrido (DSC).

Se utilizara un software denominado crystallite, para analizar los datos, luego de la técnica de

difracción de rayos x.

A medida que aumenta el tiempo de molienda ya no se observaran partículas de Cr o Mo, lo que

nos indica que se formó solución sólida. El tamaño de cristalita y la energía de falla de

apilamiento disminuyeron y densidad de dislocaciones aumentó con el tiempo de molienda. Los

valores de propiedades mecánicas estimados a través de comparación mostraron que las

aleaciones pueden ser usadas en techumbres y fachadas.


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SUMMARY

The most productive mines of copper are in Chile , for that reason, it is necessary to do more

researches and development to look for new applications. The general aim of the present work

was to study the manufacture of alloys Cu-Cr-Mo, with the purpose of improve the mechanical

properties of the copper, orientated to the area of the construction. Across conventional methods,

it is not possible to improve substantially the properties of the materials, for this reason, processes

are in use of not balance for happening advanced materials. The most traditional processes of

non-balance are; alloyed mechanic, steam deposit, and implantations of ions between others. The

alloyed mechanic (AM) is a process very versatile and simple to realize. Across the notableprocess it is possible to increase the solid solubility, to avoid segregations, and to produce

materials nanocristalinos. Because of that, the AM was chosen to produce ternary alloys base Cu

with elements with enthalpy of positive mixture as Cr and Mo.

In this work, there will be compared the alloys of the materials that are used as front and roof on

the basis of copper, with the new alloys base charges with chrome and molybdenum. The alloys

that there will be studied are Cu-5%Cr-5%Mo, Cu-10%Cr-10%Mo and Cu-51%Cr-51%Mo (%

percentage in weight). The samples were processed in a mill SPEX 8000M in Ar presence on

containers of steel hardened with balls of the same material. The reason balls / powders were of

10.

To characterize the alloys obtained by AM, the following technologies are used: atomic

absorption spectrophotometry, scanning electron microscope (SEM), metallography, analysis of

microhardness X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimetry (DSC).

The software called Crystallite will be use to analyse the information, after the technology of

diffraction of X-rays.

As it increases the time of grinding already were not observing particles of Cr or Mo, which

indicates us that the solid solution, was formed. The crystallite size and the energy of stacking

fault diminished and density of dislocations increased with the time of grinding. The values of

mechanical properties estimated across comparison showed that the alloys can be used in roofs

and fronts.


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CAPITULO I: INTRODUCCION Y OBJETIVO

1.1.- INTRODUCCION

El aleado mecánico (AM) es un proceso que involucra la repetida deformación, fractura

y soldadura continua de partículas al estar sujetas a una molienda constante, además de que por

esta técnica se obtienen aleaciones en el estado sólido. El aleado mecánico es una técnica

novedosa con lo cual se obtienen materiales avanzados con propiedades inusuales, debido al

enfriamiento micro estructural a que son llevados los polvos de elementos metálicos, no

metálicos o compuestos, en la cual ocurre una combinación atómica hasta obtener una aleación

verdadera de los compuestos. Esta técnica fue desarrollada por Jhon S. Benjamín y su equipode investigación en los laboratorios de investigación Paul D. Merica de la International Nickel

Company (INCO) en el año 1966 como una necesidad industrial por producir superaleaciones

base nickel - hierro con reforzamiento por dispersión de óxidos (oxide dispersión strengthened

ODS) para aplicaciones aeroespaciales, combinando resistencia a la corrosión y resistencia a

temperaturas intermedias del precipitado γ junto con la alta resistencia mecánica y estabilidad a

elevadas temperaturas de la dispersión de óxidos. Aunque su origen se sitúa en la década de

los 60, la investigación en este campo ha comenzado a ser realizada aproximadamente hace 15

años. El crecimiento de publicaciones a partir de 1970 hasta 1994 ha sido notorio, en la cual se

puede apreciar un crecimiento sostenido, llegando en los tres últimos años a una producción

entre 500 y 600 artículos por año.

El AM ha sido aplicado a una gran variedad de partículas, metales, cerámicas, polímeros y

materiales compuestos. Por AM se pueden obtener aleaciones metálicas que por medios

tradicionales es muy complicado. Debido a esto se están buscando las mejores aleaciones

posibles que en conjunto con el cobre proporcionen un material compuesto que entregue

seguridad, estabilidad y economía en el ámbito de la construcción, en especial para serutilizado como fachada y techumbre

En muchos países el cobre es utilizado en construcciones como lo son usados diversos

materiales en Chile, este es el país que proporciona la mayor cantidad de cobre en el mundo,

cerca del 40% (IDITEC S.A, 2006).

Muchos materiales de construcción que contienen cobre tienen un alto nivel de contenido

reciclado (a menudo superior al 80%). Aún más importante, estos productos son durables,

tienen largos ciclos de vida, son de bajo mantenimiento (requieren de simples reparaciones o

reemplazos) y son fácilmente reutilizables o reciclables.


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2

Está claro que el cobre es un excelente material, pero posee una gran desventaja, ya que tiene

una resistencia mecánica muy baja, es por eso que para aumentarla se aleará con cromo y

molibdeno, lo cual además, le ayudará a aumentar la resistencia a la corrosión y a las altas

temperaturas. Esto ya ha sido comprobado en otras investigaciones como es el caso de la tesis“Estudio de la evolución estructural NC en el AM de los sistemas Cu-Cr y Cu-Mo” (Aguilar,

2006). Queda en claro que esta investigación es de evolución de resultados y no de obtención.

Sabiendo que este tipo de aleación definitivamente es la correcta, se desarrolla un estudio

metalúrgico, el cual indicará cuando se formara solución sólida de cromo y molibdeno en

cobre, a que tiempo de molienda y con que porcentajes de soluto y solvente, además se indicara

en que aleación aumentarán los defectos cristalinos. Debido a esto, los ensayos realizados no

son comparables con otros materiales, solo hacen una comparación entre una aleación y otra, a

excepción del ensayo de dureza brinell, donde se compara la dureza de las aleaciones con otros

materiales.

1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El cobre debe alearse con otros metales para ser trabajado como fachada o techumbre, metales

que le permitan soportar los cambios climáticos y esfuerzos a que se verá expuesto.

Aquí se comienza a mencionar el nombre de aleación mecánica, que es capaz de crear nuevas

superaleaciones aprovechando las propiedades del cobre en combinación con otros elementos

inmiscibles (Cr y Mo).

1.3.- OBJETIVOS

1.3.1.- Objetivos General

Estudiar la fabricación de aleaciones cu-cr-mo, para mejorar las propiedades mecánicas del

cobre, orientadas al ámbito de la construcción.

1.3.2.- Objetivos Específicos

• Fabricar aleaciones en base a cobre, para así formar un material de gran resistencia sin

que este pierda sus propiedades térmicas y conductoras.

• Caracterizar propiedades físicas de las aleaciones creadas, para así determinar su

eficacia y escoger la aleación precisa.


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3

• Analizar características estructurales por medio de difracción de rayos x, espectroscopia

de absorción atómica, análisis de microdureza, microscopia electrónica de barrido,

metalografía y calorimetría diferencial de barrido.

1.4.- HIPOTESIS

Con el incremento del tiempo de molienda de las diversas mezclas de polvos

metálicos se estima que la cantidad de defectos internos también se incrementará.

Además el aumento de la cantidad de defectos cristalinos internos expresados como:

nivel de microdeformación y disminución del tamaño de cristalita, producidos por la

acción de los medios de molienda en los polvos de cobre, serán la fuerza impulsora

necesaria para que se produzca un aumento de solubilidad de cromo o molibdeno en

cobre.


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CAPITULO II: ASPECTOS TEORICOS

2.1.- INICIOS DEL AM

Los primeros inicios de trabajos relacionados con el aleado mecánico se vieron realizados en

1966 por Jhon Benjamín y sus colegas en Paul D. Merica Research Laboratory of Internacional

Níkel Company (INCO). El desarrollo del aleado mecánico fue producto de una búsqueda de

nuevos procesos para producir superaleaciones base níquel para la fabricación de turbinas de

gas. La idea era combinar la resistencia a elevadas temperatura de dispersoides de óxido y la

resistencia a menores temperaturas de precipitados. Para tal efecto se mezcló polvos puros de

níquel, cromo, aluminio, titanio y finas partículas de Y2O3.

El término “aleación mecánica” (AM) o “mechanical alloying” (MA) fue introducido por E.C.

McQueen a finales de los 60 y la primera producción comercial de un material endurecido por

dispersión obtenido por este método se realizó a principios de la década de los 70 con la

aleación INCONEL MA754, seguida de las MA 758 y MA 6000; todas ellas, superaleaciones

base níquel. El endurecimiento producido por la dispersión de óxidos dio lugar a que estas

aleaciones recibieran también el nombre de superaleaciones ODS, acrónimo de “Oxide

Dispersion Strengthened” (Ruiz, 2003).

2.2.- DEFINICIÓN DE AM

Es un proceso en seco de molienda de alta energía de no-equilibrio, donde dos o más clases de

polvos (pueden ser metales, aleaciones o compuestos) son mezclados, deformados, fracturados

y soldados repetidamente, para lograr como resultado, polvos aleados con una composición

química homogénea en fases estables o metaestables, con una fina microestructura con una

elevada densidad de defectos cristalinos.

2.3.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE AM

Las ventajas más presentes son:

• Obtención de fases amorfas.

• Se puede extender el límite de solubilidad en soluciones sólidas.

• Formación de fases intermetálicas.

• Composición química homogénea


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5

• Formación de fases nanoestructuradas

• Los tiempos de molienda son bastante menores comparados con los molinos

tradicionales.

• Procesos escalables.• Producción de partículas finas dispersas de segunda fase(usualmente óxidos)

Las desventajas más presentes son:

• Es un proceso de alto costo, debido a la pequeña cantidad de polvos que se procesan.

• Es un proceso muy minucioso que se expone a contaminaciones tanto en la preparación

de la muestra como en la molienda misma.

• Las personas que la realizan, se exponen a contaminación de sustancias toxicas.

• Solo una pequeña cantidad de energía aportada por el molino es transferida a las

aleaciones.

• El tiempo de molienda suele ser muy extenso.

2.4.- MATERIALES NANOCRISTALINOS

Los materiales nanocristalinos pueden ser homogéneos o heterogéneos, en ellos el tamaño de

cristal es del orden de 1 – 100 nm. Debido a que su tamaño de grano es tan pequeño, una gran

cantidad de átomos se encuentran en los bordes, como se puede apreciar en la figura 1. Estos

materiales presentan buenas combinaciones de propiedades físicas, mecánicas y magnéticas en

comparación con el material tradicional en el cual el tamaño de grano es > 1µm. Los materiales

nanocristalinos presentan elevada resistencia mecánica, dureza, velocidad de difusión. Existen

variadas técnicas para obtenerlos como son, condensación de gases inertes, electrodepositación,

solidificación rápida, etc. El AM presenta la ventaja que logra materiales en estado sólido y a

temperatura ambiente. Recién en el año 1987 se logró obtener materiales nanocristalinos poresta vía. Los mecanismos de reducción de tamaños de granos son explicados como: la

deformación plástica procede por deslizamiento y maclado a bajos y moderadas velocidades de

deformación, mientras que a altas velocidad de deformación, la formación de bandas de corte,

las cuales consisten en una densa malla de dislocaciones llegan a ser el mecanismo dominante

de deformación. Esas bandas de corte en la cual la deformación es localizada tienen tamaños

típicos de 0.1 a 1 µm (Hellstern et al, 1989), al continuar la molienda el promedio de

deformación atómica aumenta debido al incremento de la densidad de dislocaciones

aumentando severamente el nivel de deformación, el cristal llega a un nivel crítico de


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deformación en cual se desintegra en sub-granos que se separan por bordes de bajo ángulo.

Este hecho hace disminuir la energía almacenada en el sistema.

Figura 1. Arreglo esquemático de átomos en un material nanocristalino.

Fuente: Aguilar (2004).

2.5.- MATERIAS PRIMAS

Las materias primas utilizadas para AM serán partículas que se encuentran en el comercio como

polvos puros que tienen tamaños de partícula en el rango de 1±200 mm. El tamaño de la partícula

de polvo debe ser más pequeño que el tamaño de las bolas de acero inoxidable, esto es porque el

tamaño de la partícula de polvo decrece exponencialmente con el tiempo y alcanza un valor

pequeño de algunos micrones sólo después de algunos minutos de molienda, las bolas de acero se

encuentran dentro del contenedor que es donde se depositan los polvos que serán aleados. En esta

investigación se aleara el cobre como base con cromo y molibdeno, el cobre aparte de ser muy

maleable y dúctil es un metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de

veces sin que pierda sus propiedades mecánicas, la desventaja que posee es su baja resistencia

mecánica, la cual disminuye aún más a temperaturas elevadas, por lo tanto, se aleara con el

cromo y molibdeno para aumentar esa resistencia, además de soportar temperaturas y corrosionessumamente altas.

2.6.- MECANISMO DE ALEACIÓN

Durante el proceso de molienda de alta energía las partículas de polvo son aplastadas

reiteradamente, soldadas en frío, fracturadas, y vueltas a soldar. Cada vez que dos bolas

chocan, cierta cantidad de polvos queda atrapada en medio. La fuerza del impacto es la

causante de los procesos de aplastamiento, soldadura y fractura. En la figura 2 se puedeapreciar de manera gráfica este proceso.


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Figura 2. Proceso de molienda al interior del molino atritor.

Fuente: Maximov (2008).

La tendencia general en un principio es a que, luego de las reiteradas soldaduras, se formen

partículas 3 veces más grandes que los polvos originales. La característica principal de estas

partículas es la forma de hojuelas, formadas por varias capas de los distintos elementos

aleantes. Debido al endurecimiento por deformación plástica las partículas comienzan a

fracturarse con mayor facilidad, y la tendencia de fractura predomina por sobre al de la

soldadura en frío, generando una reducción en el tamaño medio de los polvos. En una tercera

fase, la reducción del tamaño de partícula se detiene, pero se sigue refinando el tamaño del

grano. Luego de completado el proceso de aleado, generalmente, no se obtiene mayorrefinamiento del tamaño de partícula que un 1% (Maximov, 2008).

Al analizar la molienda, el tamaño de partícula tiene baja varianza. Esto se debe a que las

partículas grandes se fracturan con facilidad, mientras, las pequeñas se sueldan entre ellas, ya

que soportan mejor la deformación plástica.

Como producto de la gran deformación plástica introducida en las partículas, estas presentan

gran densidad de defectos cristalinos, tales como: dislocaciones, vacancias, fallas de

apilamiento y bordes de grano. Estos defectos aumentan la difusividad de soluto en la matriz.

Esto, principalmente debido a las menores distancias de difusión.

2.7.- MOLINOS USADOS PARA REALIZAR AM

Existen tres clases de molinos usados en la actualidad para realizar AM, los que se describen a

continuación, los cuales son: SPEX, planetario y atritor.


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2.7.1.- Molino SPEX

Este molino fue originalmente desarrollado por Pulverize Spectrographic Samples. Se usa

principalmente en laboratorios, pues la cantidad de polvo que puede procesar es bastante

pequeña (aproximadamente 10-30 g en cada contenedor).Existen dos tipos de modelos, el primero es el modelo simple, que consta de un contenedor y el

segundo es el modelo dual, con dos contenedores. En la figura 2 se muestra un molino Spex

simple dentro de la cámara de aislación acústica, para evitar que el exceso de sonido contamine

acústicamente el medio donde se encuentra el molino, dentro del molino se introduce un

contenedor de acero inoxidable, el cual se encuentra en la figura 3, dentro de los contenedores

van bolas de acero inoxidable de diferentes diámetros y junto a ellas los elementos que

formaran la aleación.

El molino opera agitando los contenedores en tres direcciones mutuamente perpendiculares a

velocidades entre un rango de 1200 y 1725 r.p.m. (esta velocidad es la del motor, ya que

debido a la relación de diámetro de ejes los contenedores se mueven a una velocidad más

moderada). Se alcanza alta energía de molienda en este tipo de molino, por tanto la aceleración

de las bolas es varias veces la aceleración de gravedad (Suryanarayana, 2004). Las principales

ventajas de este molino son su alta energía y frecuencia de impacto, que se traduce en cortos

tiempos molienda y su desventaja, la baja capacidad de procesamiento.

Figura 3. Molino Spex.

Fuente: Suryanarayana (2001).


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Figura 4. Contenedores de acero inoxidable.


2.7.2.- Molino planetario

Este molino tritura y mezcla materiales blandos, semiduros, duros y extremadamente duros

frágiles o fibrosos, pudiendo usarse para todas aquellas aplicaciones en las que se necesiten en

tiempo muy corto granulometrías muy finas que alcancen el rango submicrónico. Es apto para

moliendas por vía seca y húmeda. Este molino consiste en un disco central llamado disco sol,

en el cual se encuentran los contenedores, el disco sol gira en una dirección, mientras los

contenedores giran independientemente en la dirección contraria. La capacidad de los

contenedores varía entre 50-250 g.

En la figura 4 se muestra un molino planetario con los contenedores en su interior, el cual

ejerce una fuerza centrifuga debido a la rotación de los contenedores alrededor de su eje junto

con la rotación del disco sol, esta fuerza es aplicada a los elementos que formaran la aleación y

a las bolas dentro de los contenedores, lo que lleva a valores de aceleración cercanas a 40 g en

la energía de impacto (Soni, 2000), en la figura 5 se puede observar el movimiento que realiza

cada contenedor dentro del molino.


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Figura 5. Molino planetario.


Figura 6. Movimiento de los contenedores dentro del molino planetario.

Fuente: Soni (2000).

2.7.3.- Molino atritor

Este molino también lleva el nombre de molino Szegvari. En él se pueden moler grandes

cantidades de material en comparación con otros molinos, entre 0,5 y 100 Kg de polvo.

Al utilizar un molino de este tipo es una técnica sencilla y económica, comparada con los

métodos tradicionales de alear metales; además brinda la posibilidad de combinar materiales

metálicos con materiales no metálicos, abriendo así un horizonte para la investigación de

nuevos materiales.


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Este molino consiste en un eje central con paletas que giran a velocidades cercanas a 250

r.p.m, al igual que otros molinos las bolas al entrar en movimiento y chocar una con otra

genera energía de colisión entre ellas y el material que se está moliendo.

El molino atritor va conectado a una bomba de vacío, esta permite generar una atmosfera degases Ar y Nitrógeno para obtener material compuesto mediante la técnica de aleado mecánico.

En la figura 7 se puede observar el modelo de un molino atritor.

Figura 7. Molino atritor.


Tabla 1. Comparación entre molinos de alta energía.

Molino Velocidad

(r.p.m.)

Volumen de

contenedores (ml)

Cantidad aproximada

de carga de polvos

Spex 1725 25 20 g (X 2 contenedores)

Planetario 350 250 – 500 250 g (X 4 contenedores)

Atritor 250 100 kg



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2.8.- VARIABLES QUE AFECTAN EL PROCESO DE AM

Las variables que afectan en este proceso tan útil en la actualidad son las siguientes:

Tipo de molino: Como se mencionó con anterioridad, existen 3 tipos de molinos usados en AM.

La gran diferencia entre ellos es el tipo de movimiento realizado, la energía aportada, la

velocidad (r.p.m), el volumen de los contenedores (ml) y la cantidad aproximada de carga de

polvo.

Energía de impacto: Depende del tipo de molino, densidad y tamaño de las bolas de molienda,

frecuencia de impacto, etc. Se sabe que la frecuencia de colisión es una función lineal del número

de bolas. Considerando lo anterior se puede estimar la energía de impacto conociendo elcoeficiente de restitución y la energía cinética de las bolas (EK=1/2mv2). La energía de impacto

tiene una importante influencia sobre la microestructura de los polvos (Aguilar, 2006).

Según estudios, el molino que mayor energía aporta a la molienda, es el molino Spex, con una

energía cinética menor a 120(10-3 J/hit) (Abdellaoui, 1996), este tipo de molino es el que usamos

en esta investigación.

Medios de molienda: En el proceso de molienda son utilizadas bolas, estas bolas aportan energía

a los polvos cuando están siendo molidos por ellas mismas dentro del molino y de ellas tambiéndepende la eficacia de la molienda, ya que hay de diferentes tamaños, por lo que se hace un

análisis para decidir el número que se utilizara y la distribución que tendrá cada una. El tamaño

de cristalita y una serie de defectos cristalinos en las aleaciones son claramente afectados en el

proceso de molienda, según estudios intensivos de rayos X.

Estas bolas se fabrican de diferentes materiales, acero endurecido, acero inoxidable, carburo de

tungsteno, circonia, nitruro de silicio, metacrilato, alúmina, etc., en este caso serán de acero

inoxidable, ya que los contenedores son de este mismo material y se debe tener mucho cuidado

en no mezclar materiales, ya que pueden reaccionar entre ellos, además saber que tipo de bolas

usar para que no reaccionen con los polvos que están siendo molidos.

Razón de carga: Antes de montar los polvos, se debe saber que razón de carga será la utilizada,

esta se define como la razón de bolas/peso de polvos y tiene una gran influencia en la aleación

mecánica. La más común y la que se utilizara en esta investigación será de 1/10, ya que existe

una gran variedad y mediante investigaciones se ha logrado concluir que las más efectivas se

encuentran está entre 5 y 30. Cuando se incrementa RC se reduce la trayectoria media de

movimiento de las bolas, aumenta la frecuencia de impacto y la energía promedio de impacto por

colisión disminuye (Hashimoto et al, 1990).


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Agentes de control de proceso: Son usados para disminuir la soldadura en frio en la molienda

y así mejorar la eficacia del proceso alcanzando un equilibrio entre soldadura y fractura entre

los componentes de la aleación, hay de diferentes tipos líquidos, sólidos y gaseosos y los más

comunes para ser utilizados son: Ácido esteárico (que es que se utilizo en esta tesis), ácido

oxálico, metanol, etanol, heptano y Polietilenglicol. Al momento de montar los polvos en los

contenedores es agregado también este agente, lo que se utiliza generalmente es entre el 1% y

5% del peso de la carga total de polvos.

En esta investigación la soldadura en frio tiende a ser bastante amplia, debido a la gran

deformación que experimentan los polvos metálicos al ser molidos, debido a esto es de

demasiada importancia contar con un agente de control de proceso para evitarla.

Tiempo de molienda: El tiempo de molienda es una de las variables de mayor importancia, un

buen conocimiento y manejo de esta variable es primordial para obtener los resultados deseados.

El tiempo requerido va a depender del sistema, tipo de molino, razón bola/polvo, tamaño de bola,

temperatura, sistema químico, etc. (Aguilar, 2006).

Atmósfera de molienda: Luego de montar los polvos en los contenedores, se somete a un

proceso denominado purga, donde dentro de la cámara de guantes los contenedores son

sellados con un gas inerte para prevenir la presencia de vapor de agua, nitrógeno y oxígeno u

oxidación de la muestra y así evitar la contaminación de esta mimas. Los gases usados pueden

ser helio o argón, este último es el que será utilizado en esta investigación.

Se ha observado que en un ambiente de nitrógeno también se puede prevenir o disminuir la

oxidación de ciertas muestras (Suryanarayana, 2001).

Temperatura: A pesar de ser una variable de no menor importancia, existe muy poca

información acerca de ella, lo que se sabe mediante investigaciones es que se ha encontrado que

la amorfización en sistemas con entalpía negativa de formación, por ejemplo Ni-Zr, cambia en

función de la temperatura. En sistemas con entalpía positiva de formación, por ejemplo Cu-Ta, a

pocas horas de molienda a temperatura ambiente no es posible obtener una fase amorfa, después

de cierto tiempo de molienda comienza la formación de la fase amorfa, pero al aumentar la

temperatura, el tiempo de molienda necesario para obtener la fase amorfa señalada disminuye.

Por otro lado, la temperatura tiene una influencia significativa en la formación de soluciones

sólidas, pues la difusión es un mecanismo térmicamente dependiente. Otro aspecto que se debe

considerar, cuando se disminuye la temperatura, los fenómenos de difusión, recuperación y

recristalización son poco favorecidos (Aguilar, 2004).


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2.9.- APLICACIONES EN FACHADAS Y TECHUMBRES

2.9.1.- Materiales en base a cobre utilizados actualmente como fachada

Las empresas más importantes en Chile y el mundo que se dedican a la producción derevestimiento en base a cobre son las siguientes: KME, QUINTA METÁLICA, CODELCO y

LUVATA.

•••• Sistemas TECU, KME.

Estos productos además de ser duraderos, ofrecen unas posibilidades de aplicación únicas. Las

llamativas superficies naturales de cobre y aleaciones de cobre permiten verdaderos diseños

singulares. Se nombraran los tipos de superficies utilizadas y además los sistemas en los quecada superficie se encuentra.

Superficies TECU

Son una gama de materiales en cobre y sus aleaciones para satisfacer todas las necesidades de

arquitectos y diseñadores. Los cuales se nombraran a continuación con más detalle.

TECU Classic: Tras su colocación este material conserva durante un breve periodo su

característico color natural rojo-cobrizo brillante. Los cambios son graduales y no siemprepredecibles, varían en función de las condiciones metereológicas, siendo el tiempo el único

responsable de la transformación continua del cobre (Hellstern et al, 1989). De entrada, la

superficie se vuelve mate, y progresivamente el material va desarrollando una capa de óxido

natural que le protege de los efectos de los agentes atmosféricos. Este proceso de oxidación da

lugar a variaciones muy particulares de color por toda una amplia gama de tonos marrones con

distintos matices a medida que se producen cambios en la luz natural y según las estaciones del

año. Este material posee una serie de ventajas: Alta resistencia frente a rayos UV, alta

resistencia frente a agentes químicos, resistencia al grafitti y es fácil de limpiar.


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Figura 8: Puerto de Barcelona con fachada TECU Classic.

Fuente: Kme (2010).

TECU Patina: Es un cobre prepatinado para uso inmediato y destinado a satisfacer las

máximas exigencias estéticas de un edificio. Las chapas de este tipo de fachada están patinadas

en verde en una cara con un proceso industrial especial que favorece el desarrollo de una capa

de óxido sobre la superficie del cobre. La pátina resultante nace del propio cobre, fruto del

mismo proceso de oxidación que ocurre de manera natural cuando el cobre está expuesto a la

intemperie durante un largo período de tiempo.

Este revestimiento provisional y transparente proporciona una protección eficaz. Las marcas

producidas durante su manejo son prácticamente invisibles sobre la superficie del material e

incluso tras ser plegado y perfilado la capa de patina se conserva en buen estado. Además, los

procesos de trabajo ahora apenas provocan la generación del polvo de patina. Una vez

instalada, la superficie sufre la evolución cromática natural típica y característica del cobre.


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Figura 9: Hotel Dornbirn con fachada TECU Patina.

Fuente: Kme (2010).

TECU Oxid: Con este material, se salta la fase inicial del color brillante y fresco del cobre

recién instalado y el color evoluciona hacia las tonalidades marrones típicas del cobre oxidado.

Los cambios naturales empiezan inmediatamente sobre el edificio con la capa marrón de

óxido. El proceso continua exactamente igual que con el cobre clásico: La naturaleza cambia

la superficie por los efectos del sol, la lluvia, la nieve y el viento otorgándole una emocionante

vida propia siempre de forma única como corresponde al cobre.

Las chapas y bandas TECU Oxid están previamente oxidadas en ambos lados mediante un

proceso industrial patentado. Este proceso oxida la superficie del cobre de una forma cuidadosa

y sin dañarla, formando una la capa de óxido que no es artificial, sino que sale naturalmente del

cobre (Kme, 2010).


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Figura 10: Cine de Paris con fachada TECU Oxid.

Fuente: Kme (2010).

TECU Zinn: Este es un material de color gris mate, el cual es muy noble y elegante, además de

ser muy armónico con otros materiales. La unión de dos metales excepcionales permite

combinar la longevidad del cobre como material base con un aspecto metálico de la superficie

que, aun no siendo característico del cobre, logra una justa tonalidad.

En su fabricación, las bandas de cobre son estañadas por ambas caras. La superficie que seobtiene es de un color gris mate, que con su exposición al aire libre evoluciona gradualmente

hacia un tono gris vivaz muy característico.

Figura 11: Oficina de la Fifa en Zürich con fachada TECU Zinn.

Fuente: Kme (2010).

TECU Brass: Este es una aleación de cobre y zinc, es más duradera que otros materiales yaque posee cobre y este es extremadamente duradero.


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Las aleaciones de cobre TECU desarrollan una personalidad propia e irrepetible cuando son

expuestas a la intemperie. El dorado rojizo original de este material evoluciona primero

hacia el mate, para adquirir luego de forma progresiva un matiz marrón verdoso, al que sigue

una lenta transición hacia un tono marrón grisáceo, para obtener al final un color antracitamarrón oscuro. Sobre las superficies inclinadas se forma en cambio la característica pátina tan

peculiar del cobre.

Figura 12: Almere fachada TECU Brass.

Fuente: Kme (2010).

TECU Bronce: El bronce es una aleación de cobre y estaño. Este material ha sido empleado a

lo largo de los siglos por artistas y escultores debido a sus propiedades, siendo ahora también

los arquitectos los que explotan su potencial para conseguir elegantes diseños de fachadas.

En esta aleación es típica una oxidación marrón rojiza con una coloración marrón grisácea

como telón de fondo; posteriormente el color va cambiando gradualmente en todo el material,

convirtiéndose finalmente en antracita marrón oscuro. La pátina que se forma a partir de aquí

se desarrolla mediante un proceso mucho más lento comparado con el cobre natural.


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Figura 13: Trescore fachada TECU Bronce.

Fuente: Kme (2010).

TECU Gold: Es una aleación de cobre y aluminio, se vuelve mate poco tiempo después de su

colocación en el edificio, desarrollando con el tiempo una cálida superficie dorada que, a pesar

de carecer de brillo, recuerda inconfundiblemente al metal precioso.

Las fachadas revestidas con este material ofrecen una calidad distinta, agradable y única. La

superficie sufre poquísimas alteraciones cromáticas, conservando de este modo toda su

expresividad con el tiempo. Los procesos de oxidación son prácticamente inapreciables en el

color de las superficies de la fachada.

Figura 14: Pabellón Münster fachada TECU Gold.

Fuente: Kme (2010).


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Sistemas TECU

Posibilidades avanzadas para cualquier tipo de espacio y revestimiento. A continuación se

nombraran con más detalle.

TECU Net: Se trata de un velo de cobre semitransparente, en busca de lo esencial.

Este material ofrece innovadoras posibilidades de diseño para numerosas aplicaciones: por

ejemplo como elemento autoportante en revestimientos de fachadas, como revestimiento

exterior de torres de aparcamiento, en paneles de ventilación, elementos de protección solar y

recubrimientos de parapetos.

Figura 15: Edificio con sistema de fachada TECU Net.

Fuente: Kme (2010).

TECU Bond: Se trata de un compuesto de cobre, para la creación de grandes superficies

perfectamente planas. Este nuevo material compuesto ofrece todas las propiedades estéticas de

las superficies de esta empresa pero se puede cortar a medida e instalarse sobre grandes

superficies de forma mucho más rápida y fácil. Se trata de un material extremadamente plano

y resistente a la torsión. Tiene un peso reducido y optimizado, un coeficiente de dilatación

térmico bajo y una elevada resistencia mecánica a las cargas de viento, frente a impactos,

golpes y compresión (Kme, 2010).


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Figura 16: Edificio con sistema de fachada TECU Bond.

Fuente: Kme (2010).

TECU Paneles: Los paneles de este tipo de fachada son elementos de forrado de fachadas con

o sin tapa en su extremo. Los paneles se suministran en largos de hasta 4.000mm y anchuras de

hasta aproximadamente 500mm. El montaje en obra se lleva cabo según el principio de

machihembrado o de solapado.

Los paneles se pueden colocar en varias direcciones – vertical, horizontal o diagonal:

• Paneles instalados para crear una superficie plana con juntas verticales

• Paneles instalados para crear una superficie plana con juntas horizontales

• Paneles especiales con fijaciones visibles u ocultas colocadas en diferentes ángulos para

crear una superficie plana o de diente de sierra.


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Figura 17: Edificio con sistema de fachada TECU Paneles.

Fuente: Kme (2010).

TECU Cassetes: Son elementos de fachada con los bordes plegados en todos sus vértices,

disponibles en proporciones geométricas de 1:1 a 1:4. Su producción se hace exclusivamente

de forma prefabricada. Los paneles casete permiten una gran flexibilidad con respecto al

despiece, al diseño de las juntas y a los métodos de fijación. Permiten, sobre todo, paneles de

dimensiones más grandes que otros sistemas.

Normalmente se fijan directamente con remaches o tornillos, o con una fijación oculta

mediante ganchos que cuelgan el panel de la estructura metálica portante.

Figura 18: Edificio con sistema de fachada TECU cassetes.

Fuente: Kme (2010).

•••• Fachada junta alzada, QUINTA METÁLICA.

Este tipo de recubrimiento es un sistema que cubre la fachada engatillando las chapas

longitudinalmente entre sí en obra, para formar una junta estanca y de fijación oculta. Se instala


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desde abajo hacia arriba. La dirección de la junta alzada normalmente es horizontal o vertical.

También pueden estar a un ángulo en concreto si el proyecto lo requiere.

En cuanto a los detalles, estos se realizan con el máximo cuidado para obtener una fachada

perfecta. Los mismos detalles dejan dilatar los metales en respuesta a los cambios térmicos quesufren diariamente. Esto, aún en fachada, sigue siendo imprescindible para asegurar una larga

vida a la fachada (Quintametalica, 2010.

Superficies TECU “Quinta metálica”

El cobre tiene muy buenas características para ser utilizado como fachada, tiene muy buena

resistencia a la corrosión y una durabilidad excelente, se estima 80 años en zonas costeras e

industriales y más de 100 años en zonas urbanas y rurales, no requiere mantenimiento alguno,

no requiere limpieza, es muy maleable y fácil de manipular aún en temperaturas bajas, es

reciclable cien por ciento si límites de ciclos, no es toxico, acepta la soldadura muy bien, sin

embargo es muy importante emplear el metal de aportación y decapante correctos, está

disponible en muchos espesores y dimensiones.

Son tres tipos de superficies utilizadas para fachadas en esta empresa, las cuales son: tecu

classic, tecu patina y tecu oxid, las que serán explicadas con más detalle a continuación.

Cobre natural TECU Classic: El cobre natural tiene un color inconfundible. Los tonos

iniciales de salmón rojizo cambian rápidamente hacia colores más oscuros, para acabar,

después de unos 3 a 5 años en un color marrón oscuro. Durante este proceso, pasa por varios

tonos de marrones rojizos cada vez más oscuros, dando una vida muy particular a todas las

obras que reviste.

Figura 19: Bodega Casona Micaela, Villa Verde de Trucio, Fachada TECU Classic.

Fuente: Quintametalica (2010).


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Cobre preoxidado TECU Oxid: El cobre preoxidado muestra el color marrón oscuro del cobre

natural que la naturaleza tarda unos 3 a 5 años en producir. Es una oxidación real de la

superficie sobre ambas caras. Este material presenta unas diferencias de tonos que aportan

textura y vida a las fachadas y cubierta que reviste. Estas diferencias pueden ser grandes alprincipio, pero van gradualmente disminuyendo, sin desaparecer por completo. Presenta un

aspecto inicial brillante, que al exponerse a la intemperie se va perdiendo paulatinamente hasta

acabar en un elegante color mate marrón oscuro. Este tipo de material tiene un costo más

elevado que el cobre natural.

Figura 20: Edificio Tecma, Alzira. Fachada de cobre preoxidado, TECU Oxid.


Cobre prepatinado TECU Patina: Este tipo de material da un aspecto de cobre envejecido.

Los aspectos más atractivos de este material es la individualidad que tiene cada chapa, que

imparte una textura única al revestimiento, aportando interés adicional a la obra. Este aspecto

del material es especialmente notable en fachadas, y contrasta con fachadas de metales

pintados ausentes de carácter e interés.

El cobre prepatinado que se emplea en esta empresa tiene sobre una de sus caras una capa de

patina real, parecido a lo que desarrolla el cobre después de 20 o más años. Se realiza el

patinado en fábrica, en un entorno controlado


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Figura 21: Hotel Oasis Plaza, España. Fachada de cobre prepatinado, TECU Patina.


Sistemas Quinta metálica

Los sistemas utilizados para estos tipos de materiales son:

Junta alzada: Es un sistema que cubre la cubierta engatillando las chapas longitudinalmente

entre sí en obra, para formar una junta estanca y de fijación oculta.

Quintametalica utiliza detalles y remates en los extremos de las juntas, uniones con otros

materiales y encuentros con los bordes de la cubierta.

Además, estos mismos detalles dejan dilatar los metales en respuesta a los cambios térmicos

que sufren diariamente. Esto es imprescindible para asegurar una larga vida al revestimiento

Figura 22: Esquema junta alzada horizontal sobre fachada ventilada y junta alzada vertical

sobre fachada ventilada.



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Junta plana: Este sistema también se conoce como el sistema de escamas, es el sistema más

flexible ya que su junta es fácil de curvar y adaptar a geometrías complejas.

Es un sistema que cubre la fachada engatillando las chapas individuales entre sí en obra, para

formar una junta estanca y de fijación oculta, estos se instalan desde abajo hacia arriba.En contraste con la junta alzada para fachadas, en este sistema la junta es igual en todo el

perímetro de cada chapa, creando líneas iguales en ambos sentidos. La dirección

de instalación de las escamas suele ser horizontal, pero vertical o a 45º también son normales.

También pueden estar a un ángulo en concreto si el proyecto lo requiere.

Figura 23: Esquema junta plana sobre fachada ventilada.


Paneles: La dirección de la junta normalmente es horizontal o vertical. También puede estar a

un ángulo en concreto si el proyecto lo requiere.

El sistema de panel de fachada cubre en muro encajando unos paneles estrechos entre sí. La

fijación es oculta. Se instala desde arriba hacia abajo, o desde un lado hacia el otro. Los panelesen si no admiten curvatura, con lo cual para revestir una fachada curvada en planta los paneles

tienen que estar instalados en vertical.


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Figura 24: Esquema panel de fachada.


•••• Lámina Electrolítica de Cobre LEC, CODELCO.

Este tipo de recubrimiento se fabrica mediante un proceso de electro-obtención con el que se

crean planchas de cobre electrolítico que tienen un contenido mínimo de cobre del 99,98%. Sus

principales características son su color rojizo pardo, sin brillos y su temple o dureza que le

permite una gran ductibilidad para realizar procesos de dobleces y plegados, además de la

posibilidad de lograr reducciones importantes de costos respecto de otras láminas que se

obtienen en el mercado (Codelco, 2010).

Lec es una plancha uniforme de superficie lisa y con espesores homogéneos. Permite construir

todo tipo de revestimiento de cubiertas. Como por ejemplo el sistema de cubierta formado por

“bandejas” de cobre plegado, que luego son selladas, unas con otras, con costuras a 180

recargadas mecánicamente denominado Emballetado de Junta Alzada. Se fijan con lainas (25 x40 x 0,5mm) que forman juntas de dilatación deslizantes y clavos terrano cobre (1”).

Es un revestimiento de fácil montaje, económico y resistente a las inclemencias de climas

severos. Se adapta perfectamente a cualquier forma arquitectónica.


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Figura 25: Casa en Algarrobo con fachada creada con LEC.

Fuente: Codelco (2010).

•••• Perfiles, paneles y cassettes nórdicos, LUVATA.

Estos perfiles se encuentran disponibles en forma de rollos o soldados. Con este tipo de diseño se

puede tener en cuenta los efectos de; condensación, ventilación y propiedades específicas del

cobre. En el caso de los paneles nórdicos no existen restricciones en cuanto al diseño ya que no

hay límites en cuanto a medidas y dimensiones. Mientras que los cassettes nórdicos están

diseñados tanto como para sistemas de fachada como para techumbres (Luvata, 2010).

Figura 26: Revestimiento de fachada metálica de cobre de cassetes nórdicos Luvata.

Fuente: Luvata (2010).

2.9.2.- Materiales en base a cobre utilizados actualmente como techumbre

Algunas empresas en Chile y el mundo que se dedican a la producción de revestimiento en

base a cobre son las siguientes: NIELOL TECHOS DE COBRE, LUVATA Y CUPRUM.


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•••• Nielol techos de cobre

Esta fábrica de techumbres, se encuentra en la ciudad de Rancagua en Chile, sus productos

poseen hermoso color, existe una variedad de tonos, tienen una alta resistencia a la corrosión y

son reciclables en un 100 %. Lo que es muy positivo es que además de ser hermoso eseconómico debido a su escaso mantenimiento.

La patina es el color verde que el cobre va dando con el paso del tiempo, este es adquiero

naturalmente en este tipo de techumbres.

Figura 27: Techumbre del Santuario San Nicolás de Argentina, fabricada por Nielol.

Fuente: Nielol (2010).

•••• LuvataEn esta fábrica existen dos tipos de techos: Los techos tradicionales y los nórdicos

prefabricados. Los sistemas utilizados en este tipo de techumbre generalmente son de junta

alzada y cassetes.

Techos tradicionales: Los techos tradicionales de Luvata son usados tanto para edificios

públicos como para casas modernas. Esta empresa ofrece una gama completa de instrucciones

de diseño para el techo de cobre tradicional y también la formación de diseñadores y

constructores.

Figura 28: Techumbre tradicional Luvata.



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Nórdicos prefabricados: Estos son un sistema de techado de instalación hecho de láminas de

cobre con superficie prepatinada. Es libre de mantenimiento, es extremadamente resistente y

tiene bajo costo durante su ciclo de vida.

Este tipo de techumbre ha sido diseñada para darle una planificación a la instalación del techo,ya sea de hora y lugar. Luvata puede ayudar además en la instalación si es necesario.

Figura 29: Techumbre de cobre prefabricada (doble junta alzada).


•••• Cuprum

Esta empresa ubicada en la ciudad de Santiago de Chile se dedica a la extracción de laminas de

cobre a través del proceso electrolítico .Las techumbres que fabrican son de cobre en formato

1.10 x 3mt y 1 x 4mt, con espesores que van desde los 60 micrones hasta 2.5mm.

Los sistemas que Cuprum ofrece son los siguientes: placas techos (diferentes formatos), teja

romboidal, teja tipo colonial, junta listón, junta alzada y junta zolapa.

Figura 30: Teja de cobre de tipo colonial.

Fuente: Cuprum (2010).


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CAPITULO III: DESARROLLO EXTERIMENTAL

3.1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES Y EQUIPOS

• Polvos: Se usaron polvos fabricados por la empresa Sigma-Aldrich. Los polvos de cobre

con una pureza de 99%, los polvos de cromo con una pureza de 99 + % y por último los

polvos de molibdeno con una pureza de 99,99 %.

• Ácido esteárico: Se usó un acido esteárico fabricado por la empresa Equilab. Para evitar la

oxidación de las aleaciones.

• Molino: Tipo Spex 8000D con dimensiones de 56x39x28 cm, preparado para una

alimentación eléctrica de 230V/50Hz, con una potencia de motor de 245 W (1/3HP) y con

una velocidad de giro nominal del motor de 1725 r.p.m. La amplitud de movimiento de

cada biela es de 6.03 cm (2 3/8 pulgadas) adelante-atrás y de 5.71 cm (2 1/4 pulgadas) de

lado a lado.

• Contenedores: Se usaron contenedores de acero endurecido y tapa de aluminio, fabricadas

por la empresa Spex Somplepere con dimensiones de 5.71 cm (21/4 pulgadas) de diámetropor 7.62 cm (3 pulgadas) de alto y una capacidad de 25 ml.

• Bolas de acero inoxidable: Como medio de molienda se utilizaron dentro de cada

contenedor 4 bolas de acero inoxidable de 12 mm y 21 bolas de acero inoxidable de 8 mm.

• Horno: El horno utilizado fue de la marca Equilab, Thermo Scientific de 1200ºC como

temperatura máxima.

• Contenedores para horno: Se usaron contenedores de cobre, fabricados en la Universidad

Austral de Chile.

• Cámara de guantes: Se utilizó el modelo Nitrogen Dry Box 850-NB, fabricado por la

empresa Plus Labs, Inc., con una capacidad de 0,489 m3 (489 litros) y con una pre-cámara

de transferencia de 0.018 m3 (18.7 litros).


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• Gas inerte: Se usó argón con una pureza comercial cuya composición es de 99.9 % Ar, 0.02

% O2 y 0.08 % N2.

• Balanza: Se usó una balanza de marca Equilab, con una capacidad máxima de 610 g.

• Otros: Alcohol, vidrio reloj, pinceles, espátula y recipientes de plástico.

3.2.- Procedimiento experimental

• Cargar los polvos en los contenedores:

En el laboratorio se tienen los polvos, el acido esteárico, la balanza, espátula, pinceles, vidrioreloj, alcohol, etc.

Luego se siguen los siguientes pasos:

a. Se limpian con alcohol las bolas y con pincel los contenedores.

b. Se pesan las bolas de cada contenedor.

c. Se carga cada contenedor con las bolas.

d. Con respecto al peso de las bolas, se pesan los polvos de cobre, cromo y molibdeno.

e. A medida que se van pesando los polvos van siendo ingresados en los contenedores.

f. Se pesa la cantidad de ácido esteárico.

g. Se cargan los contenedores con el ácido esteárico o agente de control de proceso.

h. Se cierran los contenedores.

• Purga en la cámara de guantes:

Los contenedores son llevados a la cámara de guantes y luego siguen los siguientes pasos:

a. Se introducen los contenedores destapados, pero con sus tapas a los lados en la pre-

cámara.

b. Se cierra la puerta externa de la pre-cámara.

c. Se prende la cámara de guantes

d. Se realiza purga de la pre-cámara, primero se debe hacer vacio hasta una presión de -25

mmHg, luego se cierra la llave de vacío y se abre la llave para que ingrese el gas inerte

(argón), donde la presión debe volver a 0 mmHg, esta operación se debe realizar 5 veces.

e. Se abre la puerta entre cámara y pre-cámara y se introducen los contenedores abiertos con

las tapas incluidas.

f. Se tapan los contenedores, utilizando los guantes.


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g. Se devuelven los contenedores cerrados a la pre-cámara, cerrándose la puerta entre

cámara y pre-cámara.

h. Finalmente se extraen los contenedores ya cerrados y sellados por la purga, la que evitara

que al momento de ser molidas se oxiden.

• Aleado mecánico en molino Spex:

Dentro del molino Spex se introduce un contenedor, el cual ya ha pasado por el proceso de

purga, luego de ser bien asegurado, se cierra el molino y se programa el timer, que es el que

controla el funcionamiento del molino y permite programar el tiempo de este. Al terminar el

tiempo requerido de molienda, el contenedor es extraído del molino.

• Recuperación de polvos:

Una vez que se ha extraído el contenedor del molino, se abre y los polvos son recolectados por

medio de pinceles e introducidos en bolsas plásticas con cierre hermético, para ser almacenados y

analizados posteriormente.

• Aleaciones ternarias: Se escogen las 4 muestras más extremas, para tener un promedio y

tendencia clara, dichas aleaciones son purgadas nuevamente, pero esta vez serán introducidas

en contenedores de cobre, por mientras se realiza la purga, el horno se programa para que

logre la temperatura deseada, este proceso es relativamente lento, en este caso serán dos

temperaturas la que se requerirán por cada muestra, 300ºC a 6 minutos y de 600ºC a 4

minutos, cada muestra debe ser introducida por separado. Luego de enfriados los

contenedores, se recuperan los polvos de manera normal, en bolsas con cierre hermético para

ser almacenados y analizados posteriormente.

• Variables a considerar:

Las variables a considerar fueron las siguientes:

a. Tiempo de molienda: 32, 50, 75 y 100 horas.

b. Porcentaje de Soluto: Se utilizaron las siguientes mezclas en porcentaje en peso:

Sistema Cu-Cr-Mo: Cu-5Cr-5Mo, Cu-10Cr-10Mo y Cu-15Cr-15Mo a 32, 50,75 y 100 horas

de molienda, en total 12 muestras.

c. Porcentaje de Soluto para aleaciones ternarias: Se utilizaron las siguientes mezclas en

porcentaje en peso:

Sistema Cu-Cr-Mo: Cu-5Cr-5Mo y Cu-15Cr-15Mo a 32 y 100 horas de molienda, en total 4

muestras.

d. Razón carga bola/polvo: Se mantuvo constante en 10/1.


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e. Agentes de control: Se uso ácido esteárico, cuya medida fue de 1% del total.

3.3.- Técnicas para análisis de muestras

Para caracterizar las aleaciones obtenidas por AM, se utilizaron las siguientes técnicas:

Espectroscopia de absorción atómica, microscopía electrónica de barrido (MEB), metalografía,

análisis de microdureza, difracción de rayos x (DRX) y calorimetría diferencial de barrido

(DSC).

3.3.1.- Espectroscopia de absorción atómica

Se usó el espectrofotómetro de absorción atómica del laboratorio de servicios analíticos de laPontificia Universidad Católica de Valparaíso. Las características principales son, modelo

Shimadzu AA 6800. El cromo y hierro fueron analizados por digestión ácida con acido nítrico

y EAA con llama aire-acetileno y el molibdeno fue analizado por digestión acido nítrico y

EAA con llama acetileno-oxido nitroso.

3.3.2.- Microscopía electrónica de barrido

Se utilizó el microscopio electrónico de barrido del laboratorio de microscopia electrónica de

la Universidad Austral de Chile. Las características principales son microscopio electrónico de

barrido marca Leo, modelo 420.

Para el microanálisis de las muestras, se utilizó un equipo marca Oxford, modo Inka 2000.

3.3.3.- Metalografía

La metalografía es la ciencia que estudia a nivel superficial las características estructurales o

constitutivas de un metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas y mecánicas.

Mucha es la información que puede suministrar un examen metalográfico, como el tamaño yforma de los granos, entre otras.

• Preparación de la superficie a analizar

Extracción de los polvos: Los polvos luego de ser molidos en el molino, se extraen desde el

contenedor hacia bolsas herméticas, para luego ser analizados, una pequeña cantidad de la

muestra es la que se analizará mecanográficamente.


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Embutido metalográfico: La pequeña muestra de polvo extraído se embute en resina para su

mejor tratamiento posterior y almacenado. En esta investigación la embutición se realizo con

resina y catalizador líquidos, mezclándolos por 15 minutos hasta que reaccionaran. La muestra

de polvo se coloca en un contenedor plástico y encima se agrega la mezcla antes mencionada,se deja endurecer por 24 horas y luego se extrae del contenedor, lista para ser pulida.

Pulido metalográfico: Se usa el equipo Debastadora ó Pulidora Metalográfica, se prepara la

superficie del material, en su primera fase denominada Desbaste Grueso, donde se debasta la

superficie de la muestra con papel de lija, de manera uniforme y así sucesivamente

disminuyendo el tamaño de grano (Nº de papel de lija) hasta llegar al papel de menor tamaño

de grano. Una vez obtenido el último pulido con el papel de lija de tamaño de grano más

pequeño. Al inicio de la segunda fase de pulido denominada Desbaste Fino, en la que serequiere de una superficie plana libre de ralladuras la cual se obtiene mediante una rueda

giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas

cuidadosamente seleccionadas en su tamaño para ello existen gran posibilidad de abrasivos

para efectuar el ultimo pulido; el que se ocupara en esta investigación es la alúmina de 0,5 y 1

micrones.

Ataque químico: Hay una enormidad de ataques químicos, para diferentes tipos de metales y

situaciones. En general, el ataque es hecho por inmersión o fregado con algodón embebido enel líquido escogido por la región al ser observada, durante algunos segundos hasta que la

estructura o defecto sea revelada. Uno de los más usados es el NITAL, (ácido nítrico y

alcohol), para la gran mayoría de los metales ferrosos.

Microscopia: El principal instrumento para la realización de un examen metalográfico lo

constituye el microscopio metalográfico, con el cual es posible examinar una muestra con

aumentos que varían entre 50x y 2000x.


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Utilizar la norma internacional ASTM E 112 para la metalografía es la mejor opción, ya que

trata sobre las correctas reglas para su realización.

Se utilizó el microscopio metalográfico del laboratorio de metalografía de la Universidad

Austral de Chile. Las características principales son, marca Nikon Optiphot-M, serie xpt-M.

3.3.4.- Análisis de dureza Brinell

Se denomina dureza Brinell a la medición de la dureza de un material mediante el método de

indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar (Ordoñez, 2010).

Fue propuesto por el ingeniero sueco Johan August Brinell en 1900, siendo el método de

dureza más antiguo. Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras

delgadas.Para poder medir la dureza de cada aleación, se tienen que comprimir los polvos con una

prensa hidráulica, la cual aplica fuerzas entre 6,4 y 10 toneladas, formando probetas a las

cuales se les calcula la dureza mediante un durómetro manual y automático, este se programa

para dureza Brinell y para medición de cobre, ya que en las aleaciones predomina el cobre,

luego de seleccionado esto, la probeta por ser tan pequeña se acopla a una superficie de manera

que no haya movimiento, luego se hace funcionar el endurecedor, el cual al ser activado golpea

la probeta y de inmediato mide la dureza Brinell en ella.

Se uso el durómetro del laboratorio de Ingeniería Civil Mecánica de la Universidad Austral de

Chile. Las características principales son, marca Time Group Inc, modelo TH170.

.

Figura 31: Durómetro Time Group Inc, modelo TH170.

Fuente: Directindustry (2010).

3.3.5.- Difracción de rayos x

El análisis de perfiles de Difracción de Rayos X o DRX es un método utilizado principalmente

para detectar la presencia de distintas fases cristalinas presentes en una muestra y otros rasgos


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microestructurales. La técnica consiste en bombardear la muestra a estudiar con un haz de

rayos x de longitud de onda λ , variando el ángulo de incidencia de los rayos en la muestra, θ.

Un esquema del funcionamiento de un difractómetro de método de polvos es presentado en la

figura 32.

Figura 32: Esquema de funcionamiento y montaje de un difractómetro.


El análisis de perfiles de difracción de rayos X actualmente es una poderosa herramienta que sepuede utilizar para la caracterización de la microestructura de materiales. El ensanchamiento de

los perfiles de difracción es debido a efectos, tales como: (a) disminución del tamaño de los

dominios coherentes de difracción (habitualmente denominado tamaño de cristalito en

materiales nanoestructurados) y (b) presencia de defectos cristalinos como, defectos de

apilamiento, microdeformación y dislocaciones. La contribución del tamaño de los dominios

coherentes de difracción y la deformación (producida por defectos cristalinos) sobre el

ensanchamiento de los perfiles de difracción puede ser separada, debido a que el tamaño de los

dominios coherentes de difracción es dependiente del orden de difracción, no así la

deformación. En la figura 33 se podrá ver claramente esto.


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Figura 33: (a) Esquema sobre ensanchamiento de máximo de intensidad de difracción

proveniente de diferentes fuentes de, (b) efecto de tamaño cristalita, (c) efecto deformación

isotrópica y (d) deformación anisotrópica (notar que los máximos de intensidad de las figuras

b, c y d están normalizados).


1)

Ley de Bragg

La ley de Bragg permite estudiar las direcciones en las que la difracción de rayos X sobre la

superficie de un cristal produce interferencias constructivas, dado que permite predecir los

ángulos en los que los rayos X son difractados por un material con estructura atómica periódica

(materiales cristalinos).

Fue derivada por los físicos británicos William Henry Bragg y su hijo William LawrenceBragg en 1913. La ley de Bragg confirma la existencia de partículas reales en la escala

atómica, proporcionando una técnica muy poderosa de exploración de la materia, la difracción

de rayos X.

La interferencia es constructiva cuando la diferencia de fase entre la radiación emitida por

diferentes átomos es proporcional a 2π. Esta condición se expresa en la ley de Bragg:

( )θ λ send n ⋅⋅=⋅ 2 (3.1)


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Donde:

n es un entero.

λ es la longitud de onda.

θ es el ángulo de incidencia de los rayos x.d es la distancia interplanar de la estructura de la muestra.

Figura 34: Difracción de Rayos X: a) constructiva, b) destructiva.


En la figura 34.a los rayos difractados interfieren constructivamente, el receptor del

difractómetro capta un peak energético. El conjunto de estos peaks es conocido como diagrama

de difracción, y es único para cada estructura cristalina. De esta manera por comparación con

diagramas tabulados se pueden determinar las fases cristalinas presentes en las muestras.

Si un haz de rayos X incide sobre una estructura cristalina con un vector unitario s0 para que sea

reflejado por un plano específico, con un vector unitario s, se debe cumplir la condición de la

ecuación 2.5, donde λ es la longitud de onda de rayos X. La ecuación 3.2 es la expresión vectorial

de la ley de Bragg, como se muestra la figura 35a. La red recíproca provee una representación

gráfica simple que satisface la ley de Bragg, figura 35b. La forma vectorial de la Ley de Braggpermite trabajar de mejor forma cuando se considera efectos de anisotropía y factores de

contraste.

hklgS S rrr

=−

λ

0 (3.2)


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(a) (b)

Figura 35: (a) Representación gráfica de la ley de Bragg y (b) Red recíproca que satisface la ley

de Bragg.


2) Tamaño de cristalita y microdeformación

El ensanchamiento y forma de los máximos de intensidad de difracción tiene su origen en

varios factores: instrumental, tamaño de dominios coherentes, microdeformación, fallas de

apilamiento, etc.

El significado de cristalita ha llevado a confusión, pues en la literatura se encuentran términos

como: tamaño de cristalitas (crystallite size), tamaño de grano (grain size), tamaño de dominio

(domain size), dominio coherente (coherent domain), etc. Los granos de un metal son fronteras

donde la orientación cristalina de una parte del material cambia con respecto a otra. Dentro de

un grano a veces también hay subgranos de bajo ángulo, si el material ha sido deformado en

frío. Por otra parte un dominio coherente es una parte del material que difracta en forma

coherente los rayos X, libre de dislocaciones (Aguilar, 2006). El término cristalita es más

general y en materiales deformados puede coincidir con el tamaño de grano, subgranos con

tamaño de celdas de dislocación, etc. En material nanocristalinos corresponde al menor valor

del tamaño de microestructura, por ejemplo, tamaño de subgranos en materiales deformados en

frío, tamaño de grano en materiales nanométricos (≈10-100 nm).

Desde la década de los 50, dos métodos han sido propuestos para separar los efectos del

tamaño de dominios coherentes y deformación. El primero, propuesto por Warren-Averbach

(WA), consiste en la separación de la contribución de ambos efectos, aplicando series de

Fourier a los perfiles de difracción. Los resultados obtenidos por el método de WA son el

tamaño promedio aparente de cristalito ponderado en la superficie (area weighted average grain

size) y la microdeformación (Aguilar et al, 2006). El otro método, propuesto por Willamson-

Hall (WH) se usa en muchos casos para un estudio preliminar de las reflexiones disponibles o


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cuando no se pueden representar ciertas reflexiones mediante una serie de Fourier. Este método

da el tamaño aparente promedio ponderado en volumen de dominios coherentes de difracción

(volume-weighted average grain size) y microdeformación.

A continuación se describirán con más detalle los métodos mencionados anteriormente.

3) Método Williamson-Hall clásico (WHC)

Este método se basa principalmente en el análisis del ancho medio de los perfiles de difracción

(β), (en inglés se denomina FWHM Full Weight) de ciertos planos cristalográficos. La

disminución del tamaño promedio de cristalitas, , causa un ensanchamiento del ancho

medio de los perfiles de difracción. Más adelante se referirá al tamaño promedio de cristalitas

simplemente como el tamaño de cristalitas y se utilizará D en vez de para simplificación

de nomenclatura en esta metodología (Aguilar, 2006). Los valores de β y D están relacionados

por medio de la expresión 3.3, donde ς es una constante geométrica cuyo valor está alrededor

de 1 y θ (ángulo de Bragg), βs es el ancho medio producto sólo de la disminución del tamaño

de cristalitas.

)cos(θ λ ς

β ⋅

⋅=

DS (3.3)

Donde:

S β : Es la contribución al ensanchamiento debida al tamaño de cristalita

ς : Constante geométrica y para el cobre tiene un valor cercano a 0,9

θ : Es el ángulo de bragg

Por otro lado, la metodología de WH supone que la deformación unifo

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