Ingeniería IndustrialPropiedad de los materiales

Unidad II. “Estructura de los Materiales

Unidad II. “Estructura de los Materiales”

Competencia:

Conoce y analiza la estructura cristalina de los materiales para utilizarlos en los procesos.

IntroducciónEn ciencias como Física y Química se observa que la materia, es decir, todo lo que ocupa un lugar en el espacio y que, por lo tanto, posee masa; puede encontrarse en distintos estados dependiendo de su condicionamiento de temperatura y presión.

Sólido Líquido Gas Plasma Condensado Bose-Einstein

2.1 Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades

SÓLIDO CRISTALINO Presenta un ordenamiento

geométrico regular. Sus propiedades son función de la dirección.

Presentan puntos de fusión definidos. Ejemplo: hielo, NaCl.

CLASIFICACIÓN

No presenta un ordenamiento geométrico regular. Sus propiedades no son función de la dirección.

No presentan puntos de fusión definidos. Ejemplo: goma, algunos plásticos y el vidrio.

SÓLIDO AMORFO CLASIFICACIÓN

CELDA UNITARIA O ELEMENTAL Parte más pequeña que permite reproducir toda la red por

traslación. Existen siete clases de celdas unitarias.

SÓLIDOS CRISTALINOS

SÓLIDOS CRISTALINOS

RED CRISTALINA• Patrón tridimensional repetitivo o periódico de partículas que

forman el cristal, es decir, celdas unitarias. Puede haber 14 modos de ordenar la partícula en el espacio que se llaman las 14 redes de Bravais.

En 1848 Auguste Bravais (físico francés), estableció la teoría reticular.

14 Tipos de Redes Cristalinas

UBICACIÓN DEL ÁTOMO

CONTRIBUYE A LA CELDA UNITARIA

Vértice o esquina 1/8 de átomo

Arista 1/4 de átomo

Centro de la cara 1/2 de átomo

Centro de la celda 1 átomo

NÚMERO DE ÁTOMOS EN UNA CELDA UNITARIA

TIPO DECRISTAL

IÓNICO

UNIDADES EN LOSPUNTOS RETICULARES

Iones positivos y negativos

FUERZA (S) QUEMANTIENEN LASUNIDADES JUNTAS

Atracción electrostática

PROPIEDADESGENERALES

Duros, quebradizos, altos puntos de fusión, malos conductores del calor y la electricidad.

EJEMPLO NaCl, LiF, MgO

TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

NaCl

TIPO DECRISTAL

COVALENTE O MACROMOLECU-LARES

UNIDADES EN LOSPUNTOS RETICULARES

Átomos

FUERZA (S) QUEMANTIENEN LASUNIDADES JUNTAS

Unión covalente

PROPIEDADESGENERALES

Duros, altos puntos de fusión, malos conductores del calor y la electricidad.

EJEMPLO C(diamante,grafito), SiO2(cuarzo)

Diamante

Grafito

TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

TIPO DECRISTAL

METÁLICO

UNIDADES EN LOSPUNTOS RETICULARES

Átomos

FUERZA (S) QUEMANTIENEN LASUNIDADES JUNTAS

Enlace metálico

PROPIEDADESGENERALES

Suaves o duros, de bajos o altos puntos de fusión, buenos conductores del calor y de la electricidad.

EJEMPLO Todos los elementos metálicos por ejem. Hg, Fe, Cu.

Fe

TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

Según la posición de los átomos en los vértices de la celda unitaria de la red cristalina existen:a) Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad. Ejemplo: Mercurio y Polonio.

b) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos ocupan los vértices y el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro, molibdeno, bario y el cromo.

Clasificación de Redes Cristalinas

c) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos ocupan los vértices y el centro de cada cara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio, plata.

d) Redes hexagonales compactas (HC):La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio.

Clasificación de Redes Cristalinas

Grano• A partir de la cristalización, se forman estructuras granulares, es

decir, un grano es la estructura formada por un núcleo central y cristales que crecen a su alrededor.

Límites de Grano• El borde, frontera, o límite de grano es la superficie de separación

entre dos cristales de un mismo grano policristal. Surge como consecuencia del mecanismo del crecimiento de grano, ó cristalización, cuando dos cristales que han crecido a partir de núcleos diferentes se "encuentran".

El tamaño de grano de un material puede ser medido una vez se termina la solidificación, por varios métodos, el más utilizado es la comparación, éste consiste observar la muestra del material mediante el microscopio

A mayor (>) tamaño de grano, mayor conductividad eléctrica pues menor cantidad de superficie de borde de grano impide el movimiento de los electrones.A menor tamaño de grano, mayor resistencia mecánica, pues las dislocaciones tendrán menor movilidad al estar impedido su movimiento.

Tamaño de Grano

Etapas de la Solidificación

La estructura cristalina de un material puede ser modificada tanto mecánicamente como térmicamente.

Modificación de la estructura cristalina

MétodosMecánicos Térmicos

• Calientes

Calientan el material y es golpeado fuertemente

Recocido calentar el acero a +727° y enfriar lentamente Elimina defectos de punto

• Fríos

El material se deforma a bajas temperaturas

 

Normalizado se calienta el acero y se enfría al aireDistribución uniformeTemple: calentar el acero a +727° y enfriar rápidamente

Dureza

Defectos Cristalinos La cristalización nunca es perfecta. Como en cualquier

proceso natural se producen imperfecciones en el crecimiento. Estas imperfecciones reciben el nombre de defectos cristalinos. Son las responsables de variaciones en el color o la forma de los cristales.

Estos defectos, pueden ser:1. De punto.2. De línea.3. Interfaciales.4. Volumen.

Defectos de PuntoSe presentan en un cristal formado por un solo tipo de átomos o moléculas.

Sustituciones

Vacancias

Dislocaciones

Átomos intersticiales Defecto FRENKEL

Defecto SCHOTTKY

Defectos de Línea (Dislocaciones)

-Arista. -Tornillo. -Plano

Defectos Interfaciales

Bordes

Defectos de Volumen

Poros Y Grietas

Propiedades derivadas de la estructura cristalina

Algunas propiedades de los metales y cerámicas pueden predecirse o justificarse mediante la estructura cristalina perfecta, tal como se ha descrito. Es el caso de las que se especifican a continuación:  

a) Densidad b) Módulo de elasticidad c) Punto de fusión

Propiedades derivadas de la estructura cristalina

• Relación entre la masa y el volumen de una sustanciaDensidad

• Medida de la capacidad elástica de un material. 

• Entre mayor sea el módulo de Elasticidad más duro es el material.

Módulo de Elasticidad

• Es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases sólido-líquido, es decir, la materia se funde.

Punto de Fusión

Dureza

Otras propiedades no pueden ser justificadas por la estructura cristalina, porque dependen de las desviaciones que los cristales reales presentan con respecto al cristal ideal perfecto, entre éstas se encuentran: plasticidad, límite elástico, carga de rotura, resistencia a la fluencia, resistencia a la fatiga, etc. 

Propiedades no justificadas por la estructura cristalina

• Propiedad que tiene un material de ser moldeado o trabajado para cambiarlo de forma.

Plasticidad

• Es la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes.

Límite Elástico

Propiedades no justificadas por la estructura cristalina

2.2 ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES METALICOS

ARREGLOS ATÓMICOSLos metales, como todos los elementos químicos, están formados por átomos. Para muchos propósitos es útil y válido considerar los átomos como esferas rígidas. Los tamaños de los átomos se miden en unidades de Ångstrom, un Ångstrom es igual a cm, es decir, un centímetro “contiene” 100 millones de Ångstroms.Se presentan los tamaños relativos de algunos átomos: Fe (1.24 Å), Ni (1.25 Å), O (0.6 Å), C (0.71 Å), N (0.71 Å), H (0.46 Å).

CRISTALIZACIÓNEn los materiales en estado líquido, los átomos se encuentran en movimiento aleatorio, no guardan posiciones fijas. Cuando los materiales solidifican al ser enfriados, el movimiento atómico cesa. En estado sólido los átomos pueden adquirir un ordenamiento definido tridimensional, en tal caso se dice que tienen estructura cristalina. Forman cristales. Todos los metales forman cristales en estado sólido.

En un metal sólido, estas esferas o átomos se agrupan en el espacio en arreglos regulares, ordenados, repetitivos, periódicos. Forman estructuras tridimensionales. Grupos de átomos pueden ordenarse para formar planos que poseen distinto arreglo geométrico

Afortunadamente, los metales puros cristalizan en solo tres estructuras: la estructura cúbica centrada en el cuerpo, la estructura cúbica centrada en las caras y la estructura hexagonal compacta. Por brevedad y comodidad, es común referirse a estas estructuras mediante las siglas bcc, fcc y hcp.

Estas estructuras tienen la característica de ser muy compactas, es decir, tienen un “factor de empaquetamiento” que permite aprovechar eficientemente el espacio dejando pocos huecos. En las estructuras fcc y hcp, 74% del espacio está ocupado por átomos y el 26% restante es espacio vacío. En la estructura bcc esta eficiencia es de 68%, con 32% de espacio vacío. Las estructuras fcc y hcp son más densas y compactas que la bcc.

bcc

fcc

hcp

Los metales que presentan estructura hexagonal compacta (hcp) son poco dúctiles y resistentes, la estructura cúbica centrada en las caras (fcc) tiende a poseer baja resistencia mecánica y elevada ductilidad, mientras que los metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc) presentan resistencia superior y ductilidad inferior a los cúbicos centrados en las caras.

EJEMPLOS:

2.2.1. FERROSOS Y NO FERROSOS

¿Qué es una estructura cristalina? Forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos,

moléculas, o iones. Empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en 3D del espacio.

Ferrosas Son aquellas que su principal componente es el hierro y sus

principales características son la gran resistencia a la tencion y dureza. Los metales ferrosos son el acero, el hierro y las fundiciones.

• La mayor parte de los materiales ferrosos en estado sólido forman cuerpos cristalinas simétricas: cúbica centrado en el, cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta.

Hierro El hierro es muy abundante en la naturaleza (forma parte

del núcleo en la corteza terrestre) y es el metal más utilizado.

Estructura cristalinaCubica centrada en el cuerpoPunto de Fusion: 1.538 °CNumero atomico: 26Punto de ebullicion: 2.862 °C

Acero

Es una aleación de hierro y carbono, en la que el carbono se encuentra presente en un porcentaje de 2%.

Estructura cristalina:

No ferrosas

Son aleaciones que no contienen fierro, o contienen cantidades relativamente pequeñas de hierro, algunos ejemplos, aluminio, cobre, zinc, estaño y níquel.

Estaño Es una metal plateado, maleable, que no se oxida fácilmente y

es resistente a la corrosión.

Zinc Es un metal o mineral, a veces clasificado como metal de

transición aunque estrictamente no lo sea, ya que tanto el metal como su especie dispositiva presentan el conjunto orbital completo.

Cobre Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo

metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia de cobre.

2.2.2 PUROS Y ALEACIONESCristales metálicos.Reglas generales.Para un cristal en equilibrio químico, los átomos se ordenan de forma regular y compacta, de manera compatible con:-Neutrita eléctrica.-Relación entre radios iónicos.-Direccionalidad y numero de enlaces. Para metales puros: modelo de esferas duras en contacto.

Cubica centrada en caras.Notación: CCC, FCC.Factor de empaquetamiento: 0.74Coordinación: 12.Relación arista/radio: α= 2r√2Ejemplos: Al, Cu, Fe(γ), Ni, Ag, Au, Pt.

Cubica centrada en el cuerpo.Notación: CC, BCC.Factor de empaquetamiento atómico: 0.68Numero de coordinación: 8Relación arista/radio: Ejemplos: Fe(α), V, Cr, Mo, W, Ti(β)

Hexagonal compacta.Notación: HC, HCP.Factor de empaquetamiento atómico: 0.74Numero de coordinación: 12Relación arista/radio: α=2REjemplo: Mg, Zn, Be, Ti(α), Zr

ENFRIAMIENTO. DE LOS METALES PUROS: Los metales puros y los Eutécticos, solidifican a

temperatura constante, la solidificación se inicia cuándo el metal liquido se enfría hasta su punto de solidificación, luego la temperatura se mantiene uniforme hasta que la solidificación concluye, mientras esta transformación ocurre el calor latente de solidificación que desprende el metal, mantiene la temperatura constante. Si este se enfriase en completa uniformidad y estuviese exento de impurezas de cualquier índole, podría generarse una cristalización a partir de cristales al azar dentro del liquido.

DE ALEACIONES:

Se necesitan dos condiciones para el crecimiento del sólido primero, que el crecimiento requiere que el calor latente de fusión, que se disipa durante la solidificación del líquido, sea eliminado de la interface sólido líquido. Segundo, y a diferencia de los metales puros, debe ocurrir la difusión tal de manera que durante el enfriamiento las composiciones de las fases sólida y líquida sigan las curvas de sólidus y de líquidus. Para poder conseguir esta estructura final en equilibrio, la velocidad de enfriamiento debe ser extremadamente lenta.

CARBONO Los átomos de carbono presentan

geometría tetraédrica, de forma que cada átomo de carbono se une a otros cuatro átomos situados en los vértices de un hipotético tetraedro, y así sucesivamente en las tres dimensiones. Cada carbono de estos vértices es, a su vez, el átomo central de otro tetraedro. Por tanto, todo el cristal se puede considerar como una molécula gigante o macromolécula.

DIAMANTE Y GRAFITO El diamante y el grafito son dos alótropos

(es la propiedad de algunas sustancias simples de poseer estructuras moleculares diferentes. Las moléculas formadas por un solo elemento y que poseen distinta estructura molecular) del carbono donde los átomos de carbono están dispuestos en una variante de la estructura cristalina cúbica centrada en la cara denominada «red de diamante».

PLÁSTICOSLos plásticos están formados por moléculas gigantes (macromoléculas). Estas moléculas se forman por reacciones en las que se unen muchas unidades de otras moléculas pequeñas (monómeros ) formando largas cadenas (polímeros). Estar reacciones se llaman de polimerización.

  TERMOPLÁSTICOS Como su propio nombre indica, estos plásticos se vuelven

deformables (plásticos) por acción del calor, de manera que se les puede volver a dar forma muchas veces. Esto es debido a que las cadenas moleculares no están unidas entre sí y al calentar el material pueden deslizarse unas respecto a las otras adquiriendo nuevas posiciones de manera que el conjunto puede tomar una nueva forma que se mantiene al solidificarse.

TERMOESTABLES Estos plásticos, durante el proceso de fabricación , sufren una

reacción que se denomina de degradación o fraguado. Una vez que han sufrido esta reacción no se pueden volver a modelar, permanecen con la forma que han adquirido durante este proceso. Lo que ocurre durante el fraguado es que las distintas cadenas se enlazan entre sí por distintos puntos, formando una especie de red. Debido a esto las cadenas ya no se pueden deslizar unas respecto a las otras y el plástico mantiene la forma que ha adquirido.

ELASTÓMEROS En este grupo de plásticos se da una situación intermedia a los

dos anteriores. Las distintas cadenas están enlazadas entre sí, pero por pocos puntos, y además las cadenas están plegadas. Por ello el plástico se puede estirar, pero a cesar el esfuerzo vuelve a su forma original.

2.3.1 Estructura cristalina en orgánicos e inorgánicos

Inorgánicos En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales

inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza (cristales iónicos, fundamentalmente)

 α-cuarzo

Orgánicos Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es

en los llamados materiales orgánicos, en donde aparece el concepto de entidad molecular (molécula), formada por átomos enlazados entre sí, pero en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.

Cinnamamida

En las proteínas también existen unidades moleculares, como en los materiales orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son también similares, pero su empaquetamiento en los cristales deja muchos huecos que se rellenan con agua no ordenada y de ahí su extrema inestabilidad.

Proteína: AtHal3.

2.3.2 POLIMEROS

Polímeros Las moléculas que se combinan para formar los polímeros se

llaman monómeros y las reacciones a través de las cuales se obtienen se llaman reacciones de polimerización.

Los polímeros son macromoléculas formadas por la unión repetida de una o varias moléculas unidas por enlaces covalentes.

Un polímero es como si uniésemos con un hilo muchas monedas perforadas por el centro, al final obtenemos una cadena de monedas, en donde las monedas serían los monómeros y la cadena con las monedas sería el polímero.

Cristalinidad Los polímeros generalmente poseen

estructura amorfa (desordenada), sin embargo, bien por la composición química del monómero o por el procedimiento seguido en la polimerización el estado cristalino también puede existir en los polímeros.

Mientras la cristalinidad en los metales y en las cerámicas implica disposición de átomos e iones, en los polímeros implica la ordenación de moléculas y, por tanto, la complejidad es mayor.

Polímeros

Son considerados materiales semicristalinos, ya que en su estructura combinan zonas cristalinas con zonas amorfas.

Las zonas cristalinas son las responsables de la resistencia mecánica y las amorfas están asociadas a la flexibilidad y elasticidad del material

Solamente unas pocas familias de polímeros poseen la regularidad estructural suficiente como para cristalizar El grado de cristalinidad de los materiales poliméricos puede variar desde completamente amorfo a casi enteramente cristalino (hasta , aproximadamente, un 95%)

TiposPolímeros inorgánicos

Están formados por la polimerización de unidades monoméricas que poseen elementos diferentes al carbono, especialmente fosforo y silicio. En este grupo se encuentra la silicona

Polímeros orgánicos

Están formados por cadenas hidrocarbonadas o derivados de ellas, es decir, en este grupo se encuentran los polímeros llamados plásticos, como el PVC y el polietileno.

No todos los polímeros se clasifican como plásticos

OrigenPolímeros naturales

Forman parte de los seres vivos, plantas y animales. Dentro de este grupo se conocen el caucho, la seda, las proteínas, el ADN, entre otros.

Polímeros sintéticos Son los sintetizados en

un laboratorio o en una industria química a partir de la polimerización, por ejemplo el polietileno obtenido del etileno.

Polímeros semisintéticos

Son aquellos formados a partir de polímeros naturales, como el caucho vulcanizado y el nylon.

REFERENCIASPulido, A. (2011). Materiales. Obtenido de Aprendemos Tecnología: https://

iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/estructura-cristalina.pdf

Soto, L. (s.f.). Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades. Obtenido de MiTecnológico.om: http://

www.mitecnologico.com/Main/EstructuraCristalinaYSuConsecuenciaEnLasPropiedadesx

Petrucci, QUIMICA GENERAL (págs. 1058-1059), Pearson, octava edición, España, Madrid  2003.          

ü  Guillen, Gimeno, QUIMICA (pág. 290), Ed. Laberinto, España 1999.              

  http://www.guatequimica.com/tutoriales/introduccion/Diferencia_entre_compuestos_organicos_e_inorganicos.htm

 , Guate química 2010.

Villanueva, I. (2012). Los metales. Febrero 23, 2017, de Área tecnología Sitio web: http://www.areatecnologia.com/LOSMETALES.htm