Estructuras, Arreglos Y Movimientos De Los Atomos

Estructuras, arreglos y movimientos de los atomos

(Indice)

1.1.- Importancia y Clasificación de los materiales en la Ing…………………………...3

1.2.- Arreglos Atómicos………………………………………………………………...5

1.2.1.- Orden de corto y largo alcance…………………………………………...…6

1.2.2.- Redes, celdas unitarias y estructuras cristalinas…………………………….7

1.2.3.- Puntos, Direcciones y Planos de la Celda Unitaria………………………..11

1.3.- Defectos e Imperfecciones………………………………………………………..12

1.3.1.- Defectos Puntuales……………………………………………………..….12

1.3.2.- Dislocaciones…………………………………………………………...…12

1.3.3.- Defectos Superficiales…………………………………………………….13

1.3.4.- Importancia de los Defectos………………………………………………13

1.4.- Movimiento de los átomos…………………………………………………….14

1.4.1.- Aplicación de la Difusión………………………………………………..14

1.4.2.- Mecanismos de la Difusión………………………………………………17

Introducción

La responsabilidad de conocer, aplicar e investigar en materiales es de la Ing. de Materiales. Sin embargo solo se puede avanzar cuando se conocen profundamente las causas y consecuencias de los conocimientos que se han adquirido con anterioridad. Por ello, interesa definir:

Ciencia de materiales. Una disciplina científica íntimamente relacionada con la investigación, que tiene por objeto el conocimiento básico de la estructura interna, propiedades y procesamiento de los materiales.

Ingeniería de materiales. Una disciplina de ingeniería que trata del conocimiento de los materiales a niveles fundamentales y aplicados, con objeto de que puedan ser convertidos en productos necesarios o deseados por una sociedad tecnológica.

A veces es difícil definir la frontera entre ambos conceptos pues existe una zona de uso común, según la formación del especialista. Lo que si es evidente es que ambos deben caminar unidos de forma obligada.

En la Siguiente figura, apreciamos la forma en que se conectan la ciencia de los materiales, la Ing. De los materiales con las diferentes Ingenierias.

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1.1 IMPORTANCIA Y CLASIFICACION DE LOS MATERIALES EN LA ING.

Debido a que durante la lectura de este trabajo aprenderemos la importancia de los materiales en la ing. Pasaremos directamente a su clasificación.

La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes:

• Metales

• Cerámicos

• Polímeros

• Materiales compuestos

• Semiconductores

En realidad en la ciencia de materiales se reconocen como categorías únicamente los Metales, los materiales Cerámicos y los Polímeros, cualquier material puede incluirse en una de estas categorías, así pues los semiconductores pertenecen a los materiales cerámicos y los materiales compuestos no son más que mezclas de materiales pertenecientes a las categorías principales.

Metales:

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura, la conductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores.

Cerámicos

Los materiales cerámicos son generalmente frágiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscópicas actúan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.

El módulo de elasticidad alcanza valores bastante altos del orden de 311 GPa en el caso del Carburo de Titanio (TiC). El valor del módulo de elasticidad depende de la temperatura, disminuyendo de forma no lineal al aumentar ésta.

Estos materiales muestran deformaciones plásticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformación ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformación plástica, y también es muy lenta. Aun así, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cerámicos.

Tienen elevada resistencia a la compresión si la comparamos con los metales incluso a temperaturas altas (hasta 1.500 °C). Bajo cargas de compresión las grietas incipientes tienden a cerrarse, mientras que bajo cargas de tracción o cizalladura las grietas tienden a separarse, dando lugar a la fractura.

Los valores de tenacidad de fractura en los materiales cerámicos son muy bajos (apenas sobrepasan el valor de 1 MPa.m1/2), valores que pueden ser aumentados considerablemente mediante métodos como el reforzamiento mediante fibras o la transformación de fase en circonia.

Una propiedad importante es el mantenimiento de las propiedades mecánicas a altas temperaturas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.

Polimeros

Son una consecuencia directa de su composición así como de la estructura molecular tanto a nivel molecular como supermolecular.

Actualmente las propiedades mecánicas de interés son las de los materiales polímeros y éstas han de ser mejoradas mediante la modificación de la composición o morfología por ejemplo, cambiar la temperatura a la que los polímeros se ablandan y recuperan el estado de sólido elástico o también el grado global del orden tridimensional.

Normalmente el incentivo de estudios sobre las propiedades mecánicas es generalmente debido a la necesidad de correlacionar la respuesta de diferentes materiales bajo un rango de condiciones con objeto de predecir el desempeño de estos polímeros en aplicaciones prácticas.

Durante mucho tiempo los ensayos han sido realizados para comprender el comportamiento mecánico de los materiales plásticos a través de la deformación de la red de polímeros reticulados y cadenas moleculares enredadas, pero los esfuerzos para describir la deformación de otros polímeros sólidos en términos de procesos operando a escala molecular son más recientes. Por lo tanto se considerarán los diferentes tipos de respuesta mostrados por los polímeros sólidos a diferentes niveles de tensión aplicados; elasticidad, viscoelasticidad, flujo plástico y fractura.

1.2 ARREGLOS ATOMICOS

La estructura de los materiales se puede examinar y describir en 3 niveles principales diferentes:

Macroestructura

Microestructura

Nanoestructura

Macroestructura

La macroestructura es la estructura del material a nivel macroscópico, donde la escala de

longitud es aproximadamente mayor a 1000nm (nanómetros). Entre las propiedades que

constituyen la macroestructura están la porosidad, los recubrimientos superficiales y las

microfisuras internas o externas.

Microestructura

La microestructura es la estructura del material a una escala de longitud de

aproximadamente 10 a 1000nm. La escala de longitud es una longitud o intervalo de

dimensiones características dentro de la que se describen las propiedades o los fenómenos

que suceden en los materiales. En el caso normal, la microestructura comprende

propiedades como el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la

orientación de los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos en los

materiales (un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos

es casi idéntico).

Nanoestructura

Es una estructura con un tamaño intermedio entre las estructuras moleculares y microscópicas (de tamaño micrométrico). Generalmente, estas estructuras experimentan efectos cuánticos que no son tan obvios en estructuras de mayor tamaño y tienen por tanto propiedades físicas especiales.

Para describir nanoestructuras necesitamos diferenciar entre el número de dimensiones en la nanoescala. Las superficies sin textura tienen en la nanoescala una dimensión, es decir, el grosor de la superficie de un objeto está entre 0.1 y 100 nm. Los nanotubos tiene dos dimensiones en la nanoescala, es decir, el diámetro del tubo está entre 0.1 y 100 nm; su longitud puede ser mucho mayor. Finalmente, las nanopartículas esféricas tienen tres dimensiones en la nanoescala, es decir, la partícula tiene entre 0.1 y 100 nm en cada dimensión espacial. Los términos de nanopartículas y partículas ultrafinas (UFP) a menudo son usados como sinónimos aunque las UFP puede alcanzar el rango del micrómetro.

Aunque posiblemente los nanotubos de carbono son

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