Estructura De Los Materiales Unidad 2

Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades

Las propiedades de un material y el comportamiento que éste tendrá al ser sometido a diferentes técnicas o procesos dependen básicamente de su constitución o estructura interna. La composición o constitución de la materia comprende las partículas elementales, átomos y moléculas, así como la manera en que éstos se unen (enlaces).

Estructura cristalina:

Es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación. Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus partículas, en amorfos y cristalinos.

Estado amorfo:

Las partículas siempre están en desorden o desalineados aún en su estado sólido. Amorfo quiere decir que no tienen forma. El vidrio, los plásticos se incluyen dentro de este tipo de sólidos.

Estado cristalino:

Los átomos (moléculas o iones) que componen el sólido se disponen según un orden regular. Los cristales pueden ser de tres tipos:

a) Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros y muy frágiles, conductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad. Ej: NaCl

b) Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de fusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores de la electricidad. No sufren deformación plástica (es decir, al intentar deformarlos se fracturan). Ej: Diamante

c) Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos. No son tan duros como los anteriores, aunque si maleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre,...

Redes cristalinas

Cualquier red cristalina puede describirse como un modelo formado a base de repetir varias unidades estructurales. Una red es un arreglo periódico de puntos que definen un espacio. La celda unidad o celda patrón es una subdivisión de la red cristalina que conserva las características generales de toda la red.

SISTEMAS CRISTALINOS Y REDES DE BRAVAIS

Son una disposición infinita de puntos discretos cuya estructura es invariante bajo traslaciones. Estas propiedades hacen que desde todos los nodos de una Red de Bravais se tenga la misma perspectiva de la red. Los puntos de una red de Bravais son equivalentes.

La celda unidad se define geométricamente por 6 parámetros (parámetros de red):

tres ejes cristalográficos (a, b y c)

tres ángulos interaxiales (a, b y g).

Variando los parámetros de red se obtienen los siete sistemas cristalinos

Existen 32 clases de cristales según sus características de simetría, que se organizan en 14 tipos de redes tridimensionales, las 14 redes de Bravais o celdas unitarias.

Materiales puros

La mayoría de las sustancias que se encuentran en la naturaleza están combinadas unas con otras, por lo que para obtener un material puro es necesario establecer procesos de purificación, se habla de un material puro cuando este no tiene impurezas de otra naturaleza en su estructura. El ejemplo más claro son los elementos de la tabla periódica. Sin embargo, en realidad no existen materiales totalmente puros, por eso que se les debe asignar un porcentaje de pureza, que, por ejemplo, en metales preciosos, les da su valor comercial. Los materiales puros se clasifican en: Metales, Metaloides y No Metales.

Los metales, cuando estos están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser reconocidas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X.

Estructuras cristalinas más comunes

Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, pero la mayoría de los metales elementales, alrededor del 90 %, cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas: cúbica centrada en el cuerpo (CC), cúbica centrada en las caras (CCC) y hexagonal compacta (HC). La estructura HC es una modificación más densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla. La mayor parte de los metales cristalizan en esas estructuras densamente empaquetadas debido a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez más estrechamente entre sí. Así se puede hablar de un factor de empaquetamiento atómico alto (FEA), que es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por átomos.

Comparación entre los principales datos cristalográficos de las estructuras de los metales

Estructura Numero de átomos por celdilla Número de coordinación FEA Metales

CC 2 8 0.68 Fe, Ti, Cr, Mo, W, Na, K, V

CCC 4 12 0.74 Fe, Cu, Al, Ni, Ag, Au, Pt, Pb

HC 6 12 0.74 Ti, Mg, Zn, Co, Zr, Be, Cd

Numero de coordinación

El número (o índice) de coordinación (Z) es el número de vecinos más próximos que rodean a un átomo dado. Cuando hay diferentes tipos de átomos, el número de coordinación debe definirse para cada pareja de especies.

Número de átomos por celdilla

Son los átomos contenidos en una celda unidad. Para una celdilla cúbica, este número puede calcularse mediante la expresión siguiente:

n=n_i+1/2 n_c+1/8 n_v

Siendo:

ni el número de átomos en el interior de la celdilla

nC el número de átomos en las caras

nV, el número de átomos en los vértices.

La fracción que multiplica estos números surge del hecho de que la celdilla debe entenderse como una porción de todo el cristal. Los átomos del interior de la celdilla pertenecen únicamente a esa celdilla (de ahí el factor 1), pero cada átomo de un vértice pertenece simultáneamente a 8 celdillas contiguas (de ahí el factor 1/8), y cada átomo de una cara, a 2 celdillas vecinas (de ahí el factor 1/2).

Por razones parecidas, si la celdilla es hexagonal, entonces la expresión anterior ha de sustituirse por esta otra:

n=n_i+1/2 n_c+1/6 n_v

DEFECTOS CRISTALINOS Y CONSECUENCIAS EN PROPIEDADES MICROSCÓPICAS.

El ideal de un cristal perfectamente ordenado es alcanzado solo si crece poco a poco, bajo condiciones cuidadosamente controladas. Cuando los cristales se forman más rápido, surgen inevitables defectos cristalinos. Los planos de las partículas están desalineados, fuera de lugar o enteramente perdidas, o bien con partículas extrañas.

Hay muy pocos cristales perfectos, muchos tienen algún tipo de defectos en la red. Las dislocaciones son defectos del cristal que se presentan cuando los planos de los átomos no están alineados. Los defectos de puntos son ocasionados por la ausencia o mala colocación de iones. Un tipo de defecto se origina por el desplazamiento de un catión de su posición correcta (creando un vacío) hacia un lugar entre puntos normales de la red. La presencia de impurezas frecuentemente explica los defectos cristalinos, un ion magnesio Mg2+ puede sustituir en la red del cloruro de sodio NaCl a un ion sodio Na+, esto implica que haya otra posición vacía porque la carga del ion magnesio es el doble que la del sodio.

Aunque los defectos cristalinos suelen debilitar una sustancia, a veces se introducen intencionalmente para crear materiales con propiedades mejoradas, como el incremento en la fuerza o dureza o para aumentar su conductividad.

ALEACIONES FERROSAS

Las aleaciones son productos homogéneos de propiedades metálicas de dos o más elementos. Estas aleaciones pueden ser ferrosas y no ferrosas. Las aleaciones ferrosas son aquellas que contienen un porcentaje muy alto de hierro, como el acero, y los hierros fundidos. Sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza.

Los metales ferrosos son los derivados de hierro. El hierro es muy abundante en la naturaleza (forma parte del núcleo de la corteza terrestre) y es el metal más utilizado.

Transformaciones de fase en los hierros fundidos

Las fundiciones o hierros fundidos son aleaciones hierro-carbono-silicio que típicamente contiene de 2% a 4% de C y de 0.5% a 3% de Si y que durante su solidificación experimentan la reacción eutéctica. (La reacción eutéctica constituye la transformación de solidificación completa del líquido.)

Existen 5 tipos de fundiciones: Fundición gris, Fundición blanca, Fundición maleable, Fundición dúctil o esferoidal, Fundición de grafito compacto

Características y producción de las fundiciones.

Fundición gris: Tiene celdas eutécticas de grafito en hojuelas interconectadas. La inoculación coopera a crear celdas eutécticas más chicas, para mejorar la resistencia.

Se produce resistencia a la tensión baja, esto es por las grandes hojuelas de grafito. Se pueden conseguir la resistencia mayor reduciendo el equivalente de carbono por medio de la aleación o tratamiento térmico.

Sus propiedades son: alta resistencia a la compresión, resistencia a la fatiga térmica y amortiguamiento contra la vibración.

Fundición blanca: Se utilizan hierros fundidos blancos por su dureza y resistencia al desgaste por abrasión. Se puede producir martensita durante el tratamiento térmico.

Fundición maleable: Se crea al intentar térmicamente la fundición blanca no aleada, a partir de la fundición blanca se producen dos tipos de fundición maleable: Fundición maleable férrica se consigue enfriando la pieza fundida y así se llega a la segunda etapa de grafitización, esta fundición

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