ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

Una celda unitaria es la unidad estructural que se repite en un sólido, cada sólido cristalino se representa con cada uno de los siete tipos de celdas unitarias que existen y cualquiera que se repita en el espacio tridimensional forman una estructura divida en pequeños cuadros. A un modelo simétrico, que es tridimensional de varios puntos que define un cristal se conoce como una red cristalina.

La clasificación que se puede hacer de materiales, es en función de cómo es la disposición de los átomos o iones que lo forman.

Si estos átomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino

Si los átomos o iones se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino ó amorfo.

Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en:

Materiales metálicos: estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no metálicos, ejemplo de elementos metálicos son hierro cobre, aluminio, níquel y titanio mientras que como elementos no metálicos podríamos mencionar al carbono.

Los materiales de cerámica: como los ladrillos, el vidrio la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza son deficientes en ductilidad, confortabilidad y resistencia al impacto.

Polímeros, en estos se incluyen el caucho (el hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas.

2. Estructura de los Materiales

2.2. Materiales puros

Enlace iónico

Para que pueda darse este enlace, uno de los átomos debe ceder electrones y, por el contrario, el otro debe ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que pasan a ser cationes y aniones. El ejemplo típico es el cloruro de sodio, en donde para formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta positiva y un cloro con carga neta negativa.

Enlace covalente

En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones. Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace covalente también es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que es muy costoso, energéticamente hablando, romper estas moléculas en sus componentes básicos.

Enlace metálico

Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esoselectrones y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+.

Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red.

De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve. Este tipo de enlace es el que permite a los metales ser materiales, por lo que pueden ser relativamente de fácil maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños. Además, es el que permite a muchos de estos materiales ser buenos conductores eléctricos.

Enlaces intermoleculares

Este tipo de enlaces se caracteriza por que la distancia entre los átomos es más grande, se encuentran las fuerzas de London, Van der Waalls y los puentes de hidrógeno. Estos enlaces son los que permiten cierta cohesión en sustancias como el agua o que le dan a ciertos materiales propiedades eléctricas (electrostática). A diferencia de los otros enlaces, este es más común moléculas y no tanto para átomos.

En muchos casos, se habla de un material puro cuando este no tienen impurezas de otra naturaleza en su estructura. 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.

a las que van sucediendo los cambios señalados en el cuerpo de la gráfica. Al conocer lacantidad de carbono que tiene un hierro se pueden estimar la temperatura a la que se debeelevar para que se den los diferentes cambios de estructura o de estado. Por ejemplo si setiene un hierro con 0.4% de carbón, se deberá elevar su temperatura hasta los 723°C paraque el hierro alfa y la perlita empiecen a convertirse en austenita y ferrita.Aproximadamente a los 800°C ese mismo hierro cambiará su estructura a hierro gamma, endonde su componente principal es la austenita, a los 1480°C empieza a fundirse y arriba delos 1520°C se ha fundido todo. A los hierros que están debajo de 0.8% de carbón se lesllama hipoeutectoides y a aquellos que tienen más de 0.8% de carbón se llamanhipereutectoides. El punto eutéctico es aquel en el que se logra la máxima dilusión decarbón posible en un hierro a la menor temperatura. En caso de los hierros con carbón el punto eutéctico se da con 0.8% de carbón y a 723°C. Cada vez que se rebasa una zona en lagráfica de HHC, se está cambiando de estructura en el hierro que se está tratando.hierros y aceros De acuerdo al diagrama de hierro, hierro, carbono el hierro puede aceptar determinadas cantidades de carbón diluidas, estas cantidades nunca son superiores al 4%.En los casos en los que se rebasa el 4% de carbón el hierro es de muy baja calidad. Loshierros más utilizados en los procesos de manufactura son los siguientes: Hierro dulce C <0.01 Aceros C entre 0.1 y 0.2 % Hierro fundido C > 2.0% pero < 4.0% Algunos ejemplosde los materiales producidos con los diferentes hierros: ‡ Fierro ³puro´. Por lo regular esutilizado para la generación de aleaciones especiales. ‡ Hierro forjado. Lámina negra omaterial para la formación de objetos por medio de laminado o forja. ‡ Acero. Materialescon requerimientos especiales de resistencia a la tracción, fricción y tenacidad. ‡ Hierrofundido. Artículos sin gran calidad pero con gran dureza y muy frágiles. propiedades de los metales Las principales propiedades de los materiales incluyendensidad, presión de vapor, expansión térmica, conductividad térmica, propiedadeseléctricas y magnéticas, así como las propiedades de ingeniería. En los procesos demanufactura son de gran importancia las propiedades de ingeniería, de las que destacan lassiguientes: ‡ Resistencia a la tensión ‡ Resistencia a la compresión ‡ Resistencia a la torsión‡ Ductilidad ‡ Prueba al impacto o de durabilidad ‡ Dureza Cada una de las propiedadesantes señaladas requiere de un análisis específico y detallado, lo que se da en asignaturascomo las de ciencia de materiales y resistencia de materiales. A continuación sólo se presentan algunas de sus principales características. Resistencia a la tensión Se determina por el estirado de los dos extremos de una probeta con dimensiones perfectamentedeterminadas y con marcas previamente hechas. Al aplicar fuerza en los dos extremos semide la deformación relacionándola con la fuerza aplicada hasta que la probeta rebasa sulímite de deformación elástica y se deforma permanentemente o se rompe. Los resultados

de las pruebas de resistencia a la tensión se plasman en series de curvas que describen elcomportamiento de los materiales al ser estirados. Varias de las características de ingenieríase proporcionan con relación a la resistencia a la tensión. Así en algunas ocasiones se tienenreferencias como las siguientes: ‡ La resistencia al corte de un material es generalmente el50% del esfuerzo a la tensión. ‡ La resistencia a la torsión es alrededor del 75% de laresistencia a la tensión. ‡ La resistencia a la compresión de materiales relativamente frágileses de tres o cuatro veces la resistencia a la tensión. En los siguientes diagramas se muestranalgunos de los procedimientos comunes para aplicar las pruebas de resistencia al corte, lacompresión, la fatiga o durabilidad, el impacto, la torsión y de dureza.Referencia ³Procesos básicos de manufactura´, Begeman Dureza Por lo regular se obtiene por medio del método denominado resistencia a la penetración, la cual consiste en medir lamarca producida por un penetrador con características perfectamente definidas y una cargatambién definida; entre más profunda es la marca generada por el penetrador de menor dureza es el material. Existen varias escalas de dureza, estas dependen del tipo de penetradores que se utilizan y las normas que se apliquen. Las principales pruebas dedureza son Rockwell, Brinell y Vickers. Las dos primeras utilizan penetradores con cargas para generar marcas en los metales a probar, posteriormente se mide la profundidad de lasmarcas. En algunas publicaciones se considera a la prueba Rockwell como la prueba delsistema inglés y a la Brinell como la del sistema métrico. (observe las tablas de relación dedurezas) La dureza Vickers se logra por medio de una prueba denominada

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