I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Estructura de los Materiales

Dr. Francisco Rumiche

Facultad de Ciencias e Ingeniería

Pontificia Universidad Católica del Perú

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Tipos de Materiales

• Metales

• Polímeros

• Cerámicos

• Compuestos

• Semiconductores

• Nanomateriales

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Objetivos

• Identificar los distintos tipos de enlace atómico en los

materiales

• Estudiar el ordenamiento de átomos en los materiales

y su influencia en las propiedades

• Describir los tipos de celdas unitarias y sus

características

• Reconocer los defectos que se presentan en la

estructura cristalina y su influencia en las propiedades

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Átomos Estructura atómica y cristalina

Propiedades y performance Microestructura

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

El Átomo

• Unidad estructural básica

de todos los materiales

• Constituido primariamente

por protones, neutrones y

electrones

• Los electrones

(particularmente los

externos) determinan las

propiedades de los átomos

y por tanto de los materiales

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Como se estudia la

estructura de un átomo?

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Large Hadron Collider

• Acelerador de partículas mas

grande y de mayor energía

en el mundo

• Túnel circunferencial de 27

km de longitud

• Proyecto que involucro la

participación de mas de

10000 científicos e ingenieros

• Costo aproximado: 9 billones

de dólares

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Estructura Electrónica del Átomo

Configuración electrónica: manera en la que los electrones

están ordenados en orbitales en un elemento

Orbitales 2e-

6e-

10e-

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Configuración Electrónica

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Tamaño de los Átomos

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Configuración Electrónica

Tabla periódica

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Enlace Atómico

• Los átomos son mas estables cuando se enlazan

• Dos tipos:

– Primario: Grandes fuerzas interatómicas

• Iónico

• Covalente

• Metálico

– Secundario: Fuerzas débiles

• Dipolo permanente

• Dipolo fluctuante

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Enlace Iónico

• Se forma entre un elemento

metálico y uno no metálico

• Se transfieren electrones

de un átomo a otro, se

forman iones

• La fuerza del enlace se debe

a la atracción de cargas

eléctricas opuestas

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Enlace Iónico

Sólido Energía

(KJ/mol)

T. fusión

(⁰C)

NaCl 766 801

KCl 686 776

MgO 3932 2800

CaO 3583 2580

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Enlace Covalente

• Entre átomos no metálicos

cercanos en la tabla

periódica

• Se comparten electrones

entre átomos con la

finalidad de alcanzar una

configuración estable

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Enlace Covalente

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Enlace Metálico

• Ocurre entre elementos

metálicos

• Los átomos se empaquetan

formando una estructura

cristalina

• Se visualiza como núcleos

positivos (átomos sin sus

electrones de valencia) y

una nube de electrones de

valencia

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Enlace Metálico

Elemento Ti Cr Fe Ni Cu

Energía (KJ/mol) 473 398 418 423 339

T. fusión (⁰C) 1660 1903 1535 1455 1083

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Enlaces Secundarios

• Energía del enlace

relativamente pequeña: 4-42

KJ/mol

• Se forman debido a la

atracción de dipolos eléctricos

contenidos en átomos o

moléculas

• Dipolo: Se forma cuando dos

cargas opuestas e iguales se

separan

• Enlaces de Van der Waals

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Comportamiento

Metales Polímeros Cerámicos

• Enlace metálico

• Energía de enlace

moderada

• Temperatura de

fusión relativamente

altas

• Buena resistencia

mecánica

• Dúctiles

• Alta conductividad

• Enlace iónico y

covalente

• Alta energía de

enlace

• Temperatura de

fusión elevada

• Frágiles

• Baja conductividad

• Enlace primario

covalente y enlaces

secundarios

• Bajas temperaturas

de fusión

• Baja resistencia

• Baja conductividad

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Celda Unitaria y Red Espacial

• Los átomos se ordenan de

manera repetitiva

formando una red espacial

• Se forman materiales

cristalinos o amorfos

• La menor unidad repetitiva

de la red espacial se

denomina celda unitaria

Celda unitaria Red espacial

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Celda Unitaria y Sistemas Cristalinos

Triclínico Monoclínico

Ortorrómbico

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Celda Unitaria y Sistemas Cristalinos

Tetragonal Romboédrico

Hexagonal Cúbico

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Estudio de la Celda Unitaria

• Número de átomos por celda

• Radio atómico (ra) en función del parámetro de red (a)

• Factor de empaquetamiento (FE)

• Número de coordinación (NC)

En 1 mm de celdas de Fe 3.48x106

celdas unitarias

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Celda Cúbica Simple

• PC o CS

• 1 átomo por celda

• a=2ra

• FE: 0.52

• NC: 6

celdadeVolumen

átomoundeVolumenxcelda

átomosdeN

V

VFE

celda

ocupado

52,0

6

3/413

3

a

rx

V

VFE

celda

ocupado

PC

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Celda Cúbica Centrada en el Cuerpo

• BCC o CC

• 2 átomos por celda

• a√3=4ra

• FE: 0.68

• NC: 8

• Mo, Cr, W, Fe, Ti

68,08

33

42

3

3

a

rx

FEa

BCC

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Celda Cúbica Centrada en las Caras

• FCC o CCC

• 4 átomos por celda

• a√2=4ra

• FE: 0.74

• NC: 12

• Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Fe

74,03

44

3

3

a

rx

FEa

FCC

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Celda Hexagonal Compacta

• HCP

• 2 átomos por celda

• a=2ra

• FE: 0.74

• NC: 12

• Mg, Zn, Be, Co, Zr, Ti

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Alotropía

Cambio en la estructura según la temperatura

Te

mp

era

tura

(ºC

)

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Comparación BCC-FCC-HCP

• Las aleaciones BCC son más resistentes que las FCC o HCP

• Las aleaciones FCC son más dúctiles que las BCC y HCP

• Las aleaciones FCC no presentan temperatura de transición

BCC FCC

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

BCC o FCC?

T-1000 Contenedor para

líquidos criogénicos

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Estructura Cristalina

• Nada es perfecto

• La estructura cristalina tampoco es perfecta

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Defectos

• Los cristales contienen varios tipos de imperfecciones

y defectos

• Los defectos afectan las propiedades físicas y

mecánicas

• Afectan la deformabilidad de los materiales,

conductividad, ratios de difusión, corrosión, etc.

• Se clasifican según su geometría y tamaño

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

• Puntuales

– Vacancias

– Intersticios

– Sustitucionales

• Lineales

– Dislocaciones

• Planares

– Límites de grano

– Precipitados

• Volumétricos

– Poros y fisuras

– Inclusiones

Tipos de Defectos

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Defectos Puntuales

• Las vacancias se forman durante la solidificación de metales,

por una alta movilidad, por deformación plástica o bombardeo

con partículas

• Las impurezas intersticiales son introducidas por diversas

técnicas

Vacancia Átomo extraño

intersticial Átomo extraño sustitucional

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Defectos Lineales

• Se forman durante solidificación de los metales o por

deformación plástica

• Crean regiones de alta distorsión en la red

• Existen también dislocaciones mixtas

Dislocación de borde Dislocación de tornillo

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Deformación Plástica

• Al aplicar un esfuerzo mayor a un esfuerzo

límite empiezan a crearse dislocaciones

• Si el esfuerzo alcanza valores mayores al

esfuerzo critico resuelto las dislocaciones se

mueven → deslizamiento → deformación

plástica

Macroscópicamente

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Resistencia Mecánica

Deformación plástica

por deslizamiento

E

Deformación elástica

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Defectos Planares – Límite de Grano

• Imperfección superficial que separa

granos de diferentes orientaciones

• Aparece durante la solidificación de

metales

• Favorecen la difusión y formación de

precipitados

• Restringen el movimiento de las

dislocaciones y por tanto la deformación

plástica

• A menor tamaño de grano mayor

resistencia a la fluencia

d

KoF

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Resistencia Mecánica

I N G E N I E R I A D E M A T E R I A L E S Francisco Rumiche

2011©

Pontificia

Univ

ers

ida

d C

ató

lica d

el

Perú

Átomos Estructura atómica y cristalina

Propiedades y performance Microestructura