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1

LA SERENA

1er

APUNTE

CCIIEENNCCIIAA DDEE LLOOSS

MMAATTEERRIIAALLEESS

CIENCIA DE LOS MATERIALES

JOSÉ ROBLES PIETSCH 2

ASIGNATURA: CIENCIA DE LOS MATERIALES

DESCRIPCION DE LA ASIGNATURA: La asignatura Ciencia de los Materiales tiene por objetivo introducir al alumno en el conocimiento de la materia por medio del estudio de las formas y origen de los enlaces atómicos y de la cristalografía elemental aplicada a los metales y las aleaciones. Además capacita al alumno para interpretar y utilizar los diagramas de equilibrio y curvas de Transformación - Tiempo – Temperatura, para comprender, complementando a otras materias, la relación existente entre la estructura y componentes de los metales y aleaciones y el comportamiento mecánico que presentan ante las solicitaciones mecánicas.

OBJETIVOS GENERALES: Al aprobar la asignatura, el alumno estará en condiciones de:

1. Comprender la constitución de la materia, para la aplicación al conocimiento de los

materiales de ingeniería. 2. Conocer el origen y formas de enlaces atómicos y la cristalografía asociada a

metales y aleaciones. 3. Interpretar los diagramas de equilibrio y curvas de Transformación-Tiempo-

Temperatura. 4. Describir el comportamiento y establecer propiedades mecánicas de materiales de

ingeniería en función de su estructura cristalina.

UNIDADES:

1. INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES 2. ENLACES ATÓMICOS Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS 3. SOLIDIFICACIÓN DE METALES Y ALEACIONES 4. DIAGRAMAS DE FASES 5. DIAGRAMAS TRANSFORMACIÓN-TIEMPO-TEMPERATURA 6. ALEACIONES 7. ENSAYOS MECÁNICOS



Unidad 1: INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES.

1.1. MATERIALES E INGENIERÍA Los materiales pueden ser definidos como sustancias de las que algo está compuesto o hecho. La producción y el procesado de nuevos materiales para convertirlos en productos acabados constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los ingenieros diseñan la mayoría de los productos manufacturados y los sistemas de proceso necesarios para su fabricación. Puesto que los productos requieren materiales, los ingenieros deberán tener conocimientos sobre la estructura interna y propiedades de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el material más adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de proceso. Los ingenieros especializados en investigación y desarrollo trabajan para crear nuevos materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes. Los ingenieros de diseño usan los materiales existentes, los modificados o los nuevos, para diseñar o crear nuevos productos y sistemas. Algunas veces el problema surge de modo inverso: los ingenieros de diseño tienen dificultades en un diseño y requieren que sea creado un nuevo material por parte de los científicos, investigadores e ingenieros. Un hecho que siempre hemos de tener presente es que el uso de materiales y el diseño en ingeniería cambian constantemente y que este cambio no es uniforme sino acelerado. Nadie puede predecir los avances del futuro a largo plazo en el diseño de los materiales y su utilización. Los ingenieros, sea cual fuere su especialidad, deben tener conocimientos básicos y aplicados sobre los materiales de ingeniería a efectos de poder realizar su trabajo de forma más eficaz cuando vayan a utilizarlos.

1.2. CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES La Ciencia de Materiales se dedica principalmente a la búsqueda de conocimientos básicos sobre la estructura interna, propiedades y procesado de los materiales. La Ingeniería de Materiales está relacionada con el uso de los conocimientos fundamentales y aplicados sobre los materiales, de modo que los materiales puedan ser convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad. Por tanto, la Ciencia de los Materiales tiene como fin básico el conocimiento del conjunto de materiales existentes, y es lo que este apunte va ir entregando en forma paulatina al alumno durante el desarrollo de la asignatura.

1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES

Existen diferentes formas para clasificar los distintos tipos de materiales existentes, pero para nuestro estudio nos guiaremos por la clasificación que hace referencia el programa de estudios de la asignatura, y es la que se muestra a continuación en la tabla 1.1:



Tabla 1.1

1.3.1 Materiales Metálicos Podemos encontrar como materiales metálicos los metales y sus aleaciones, como también sustancias inorgánicas que están constituidas por uno o más elementos metálicos; por ejemplo: hierro cobre, aluminio, níquel y titanio. Es importante tener en cuenta que el carbono es un elemento no metálico. Los metales tienen muchas características pero las más importantes son: buena conductividad eléctrica y térmica, opacidad, brillo, fusibilidad, plasticidad, dureza, etc. Ahora bien, podemos subdividir a los materiales metálicos en dos grupos importantes: los ferrosos y los no ferrosos. 1.3.1.1 Los Metales Ferrosos como su nombre lo indica, su principal componente es el Hierro o Fierro, cuyas principales características son su gran resistencia a la tensión y su dureza. Las principales aleaciones se logran con el carbono, cromo, níquel, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de los materiales metálicos ferrosos son:



Fundición gris Fundición maleable Aceros Fundición Grafito nodular o esferoidal Fundición blanca

Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus principales problemas son la corrosión y la oxidación. 1.3.1.2 Los Materiales No ferrosos Por lo general tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo poseen una superior resistencia a la corrosión y oxidación. Su costo es alto en comparación con los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado reducir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años. Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:

Aluminio Cobre Magnesio Níquel Plomo Titanio Zinc Vanadio Manganeso Tungsteno o Wolframio Cromo Estaño Molibdeno Cobalto

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos. También son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (aleación de cobre, plomo y estaño) y el latón (aleación de cobre y zinc). 1.3.2 Materiales No Metálicos Los materiales no metálicos se dividen dependiendo de su naturaleza en orgánicos e inorgánicos. 1.3.2.1 Los materiales de origen orgánico Son aquellos que contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tretracloruros, pero no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:



Plásticos Productos del petróleo Madera Papel Textiles naturales y sintéticos

1.3.2.2 Los materiales de origen inorgánico Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son:

El cemento La cerámica El vidrio

Independiente del tipo de material, ya sea, los metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características requeridas en tareas específicas. Estas características dependerán de las propiedades que los materiales posean.

1.4. ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA

El átomo es la más pequeña partícula químicamente uniforme de un elemento es el átomo (del griego átomo = indivisible). En contra de lo que su nombre indica, el átomo está constituido por partículas elementales (partículas másicas que no admiten más descomposición, ver figura 1.1). Las más importantes son el protón, el neutrón y el electrón. Los átomos constan de un núcleo que se compone de un determinado número de protones y neutrones, según el elemento de que se trate, y de una envoltura en la que están dispuestos los electrones en un número correspondiente y de modo determinado. Los núcleos atómicos pueden desintegrarse o fisionarse, con lo cual pueden producirse otras materias, por ejemplo elementos artificiales, en los cuales se libera una gran cantidad de energía.

Figura Nº 1.1-Modelo Atómico de Bohr de Elemento Hidrógeno

El protón lleva la carga elemental eléctrica positiva. El número de protones en un núcleo determina el tipo de átomo.



El electrón lleva la carga elemental de la misma magnitud, pero negativa. Tiene una masa 1864 veces más pequeña que la del protón. Los electrones están casi exentos de masa y por tanto pueden moverse con mucha facilidad. El neutrón tiene aproximadamente la misma masa que el protón, pero no lleva carga y es por tanto eléctricamente neutro. Las cargas de igual signo se repelen y las de signo distinto se atraen, es decir, los protones se repelen mutuamente y lo mismo sucede con los electrones. Los electrones y los electrones se atraen. En virtud de esta atracción los electrones se mueven en trayectorias circulares o elípticas alrededor del núcleo atómico. En la tabla 1.2 se detallan las propiedades de cada una de las partículas nombradas.

Partícula (símbolo)

Ubicación Masa aproximada

Carga

Protón (p o p+) Núcleo 1.67 x 10

-24 (gr) 1,69 x 10

-19 (C)

Neutrón (n o no) Núcleo 1.67 x 10

-24 (gr) 0 (C)

Electrón (e-) Corteza 1/1800 1,69 x 10

-19 (C)

Tabla 1.2

El número de cada una de estas partículas que forman un átomo determina su naturaleza. Cada uno de estos átomos básicos es identificado como un elemento y se le da un nombre (ejemplo oxígeno, hierro, azufre, azufre, etc.). Para identificar a un elemento básico se recurre a su número específico de protones del núcleo, cuyo número se denomina Número Atómico o Número Z. No hay dos elementos que tengan el mismo número atómico, ya que todos los elementos tienen un número diferente de protones en sus átomos. Utilizando esta característica los elementos fueron ordenados en orden creciente de su número atómico en la Tabla Periódica de los Elementos , la cual se verá más adelante en este capítulo.

El número de cada una de estas partículas que forman un átomo determinan su naturaleza. Hay más de 100 diferentes clases de átomos básicos que se conocen, y el número está aumentando conforme los científicos crean nuevos. Cada uno de estos átomos básicos es identificado como un elemento y se le da un nombre, ejemplos comunes son Oxígeno, Hierro, Azufre y Plomo. Elementos o combinaciones químicas de estos elementos (moléculas) forman todas las cosas que vemos en nuestra vida cotidiana. El bloque de cilindros, las bielas, pistones, neumáticos, sillas, el aire que lo rodea, etc. 1.4.1 Números Atómicos Hay una forma de identificar un elemento básico que debe ser evidente para usted. Ya que cada elemento básico tiene un número específico de protones en cada uno de sus átomos, cualquier elemento puede ser identificado por este número. Al número de protones en el núcleo de un átomo se le llama Número Atómico o Número Z. No hay dos elementos que tengan el mismo número atómico, ya que todos los elementos tienen un número diferente de protones en sus átomos. Un átomo que tiene 77 protones,115 neutrones y 77 electrones tiene un número atómico (Z) de 77. El número de neutrones no tiene nada que ver con el número atómico (Z).



Como dato de interés , el átomo descrito que tiene 77 protones, 115 neutrones y 77 electrones es el iridio radiactivo. Se mencionó anteriormente que los protones y neutrones tienen igual tamaño y peso. La única diferencia, hasta donde nos concierne, es que el protón tiene una carga positiva y el neutrón no tiene carga. Se puede apreciar también que el electrón es mucho más liviano que el protón o neutrón, de hecho su peso es solamente 1/1840 el peso del protón. Si pudiéramos pesar un átomo, la mayoría de la lectura en la escala sería causada por el núcleo (protones y neutrones). Los electrones son tan livianos que NO harían una contribución significativa al peso total Por tanto: Z = Número Atómico. El número de protones en el núcleo. Este número determina el tipo de elemento El número atómico de cada elemento está localizado en la parte superior izquierda de los símbolos atómicos de los elementos en la tabla periódica. 1.4.2. Masas Atómicas Debido a que los átomos son pedacitos de materia extremadamente pequeños, no será lógico tratar de representar su peso en gramos o libras. En lugar de éstos, se usa una unidad de peso más pequeña. La “unidad de masa atómica” o UMA. Técnicamente, una UMA es 1/12 del peso o masa de un átomo de carbono que tiene 6 protones y 6 neutrones en su núcleo. Sin embargo, un UMA es casi exactamente igual al peso o masa de un protón o un neutrón. Tomemos el átomo de Iridio radiactivo que ya mencionamos anteriormente. El átomo está formado de 77 protones, 115 neutrones y 77 electrones. Si fuera posible poner este átomo en una báscula sensitiva, su peso en UMA sería de 192. Los electrones por ser tan livianos no aportan mucho al peso de los protones y neutrones. Como veremos a continuación, no todos los átomos del mismo elemento pesan lo mismo, porque puede haber variaciones en el número de neutrones en los átomos de un mismo elemento (Isótopos). Por lo tanto debemos tener una forma de poder identificar átomos, no solamente por el método del número Z (que representa únicamente el número de protones), sino por algún otro método que tome en cuenta el número de variante de neutrones. Esto se realiza asignando a cada tipo de átomo un número que es igual al número total de protones y neutrones en el núcleo. Ya que este número es el peso aproximado o masa de un átomo en UMA, el número se conoce como el Número Masa o Número A. Por tanto: A = Número Masa. El número de protones y neutrones en el núcleo. Identifica átomos diferentes del mismo elemento. La masa atómica de los elementos desde el 1 hasta el 105 está localizado en la parte inferior derecha de los símbolos atómicos de los elementos en la tabla periódica.



1.5. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS. Números Cuánticos: La situación de los electrones, su nivel de energía y otras características se expresan mediante los números cuánticos. Estos números cuánticos, que se fueron introduciendo como postulados a partir de las modificaciones introducidas en el modelo de Böhr para explicar los fenómenos experimentales, se pueden deducir teóricamente al resolver la ecuación de onda Shrödinger. Cada electrón dentro de un átomo viene identificado por 4 números cuánticos:

Número cuántico principal. Se representa por la letra n. Nos da idea del nivel de energía y el volumen real del orbital. Puede tomar los valores: n=1, 2, 3, 4, ... (K, L, M, N,...)

Número cuántico secundario o azimutal. Se representa por la letra l. Determina la forma del orbital. Puede tomar los valores: l=0, 1, 2, 3, ...,n-1 (s, p, d, f,...) O sea,

Para n=1 l=0 (s)

n=2 l 0 (s)

l 1 (p)

n=3

l 0 (s)

l 1 (p)

l = 2 (d)

n=4

l 0 (s)

l 1 (p)

l = 2 (d)

l = 3 (f)

Número cuántico magnético. Se representa por la letra m. Nos indica la orientación que tiene el orbital al someter el átomo a un campo magnético fuerte (efecto Zeeman). Puede tomar los valores: m=-l,...,0,...,+l O sea,

Para l=0 m=0

l=1

m 1

m 0

m 1



l=2

m = -2

m 1

m 0

m 1

m = +2

l=3

m = -3

m = -2

m 1

m 0

m 1

m = +2

m = +3

Cada valor de m es un orbital. En cada orbital caben como máximo 2 electrones. 1.5.1. Aspectos espaciales de los orbitales atómicos:

Los orbitales s (l=0) son esféricos (figura N° 1.2). Su volumen depende del valor de n.

Figura N° 1.2

Los orbitales p son 3, tienen forma de 2 lóbulos unidos por los extremos y orientados en la dirección de los 3 ejes del espacio (ver figura N° 1.3).



Figura N° 1.3

Los orbitales d son 5, cuya disposición y orientación dependen de los valores de m (figura N° 1.4).

Figura N° 1.4

1.6. CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA

Se entiende por configuración electrónica la distribución más estable, y por tanto, más probable de los electrones en torno al núcleo. Para distribuir los electrones en los distintos niveles de energía tenemos en cuenta los siguientes principios y reglas:

Principio de relleno o Aufbau. Los electrones entran en el átomo en los distintos orbitales de energía ocupando primero los de menor energía. Para saber el orden de energía de los orbitales se usa el diagrama de Mouller. O Bien se sigue esta regla: “Los orbitales menos energéticos son los de menor valor de n+l. Si los orbitales tienen el mismo valor de n+l, tendrá menos energía los de menor valor de n”. De acuerdo con estas reglas el orden es el siguiente:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s



Sin embargo, este orden teórico presenta algunas excepciones. Por ejemplo, en las configuraciones de los lantánidos, aunque en teoría los orbitales 4f son más energéticos que los 5d, en realidad el átomo coloca primero un electrón en el 5d que entonces se vuelve más energético, y empieza a rellenar los 4f (ver figura N° 1.5).

Figura N° 1.5

En cada orbital sólo caben 2 electrones. Por tanto, la capacidad de los distintos subniveles se aprecian en la tabla N° 1.3:

Subnivel Nº de orbitales Electrones por orbital

Número de electrones

s 1 (l=0)

* 2 2

p 3 (l=-1,0,+1)

* 2 6

d 5 (l=-2+1,0,1,2)

* 2 10

f 7 (l=-3,-2,-1,0,1,2,3)

* 2 14

Tabla N° 1.3

El número de electrones que caben en cada su nivel se puede también fácilmente mediante la fórmula 2(2l+1) y el de cada nivel mediante la fórmula 2n2.

Principio de exclusión de Pauli. No pueden existir dentro de un átomo dos electrones con sus 4 números cuánticos iguales. La consecuencia de esto es que en un orbital sólo puede haber 2 electrones con spines diferentes.

Principio de Hund o de máxima multiplicidad. Un segundo electrón no entra en un orbital que esté ocupado por otro mientras que haya otro orbital desocupado de la misma energía (o sea, igual los valores de n y l)



La tabla N° 1.4 muestra la configuración del electrón de los elementos en los primeros cuatros periodos :

Tabla N° 1.4

NUMERO ATOMICO Y ELEMENTO

CAPA PRINCIPAL Y SUBCAPAS

n = 1 2 3 4

I = s s p s p d s p d f

1 H 2 He

1 2

3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne

2 2 2 2 2 2 2 2

1 2 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6

11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 A

2 2 2 2 2 2 2 2

2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6

1 2 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6

19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6 2 6

2 6 2 6 2 6 1 2 6 2 2 6 3 2 6 5 2 6 5 2 6 6 2 6 7 2 6 8 2 6 10 2 6 10 2 6 10 2 6 10 2 6 10 2 6 10 2 6 10 2 6 10

1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6



Desviaciones de las estructuras electrónicas esperadas

No siempre se sigua la construcción ordenada de la estructura electrónica, en especial cuando el número atómico es grande y se comienzan a llenar los niveles d y f. Por ejemplo, cabría esperar que la estructura electrónica del hierro , de número atómico 26 , fuera:

1s2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6

Sin embargo, la estructura real es:

1s2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6

El nivel 3d que queda sin llenar es el que causa el comportamiento magnético del hierro. 1.7. LA TABLA PERIÓDICA Las propiedades de los elementos son funciones periódicas de sus números atómicos. Esta "ley" es un postulado amplio que todavía tiene mucha utilidad como base para las generalizaciones y comparaciones del comportamiento químico. Los químicos de todo el mundo concuerdan en que la Ley Periódica expresa relaciones bien caracterizadas de las propiedades químicas y de las estructuras de los átomos. Las tablas periódicas modernas se basan en la distribución electrónica, que es la que determina las propiedades físicas y químicas de los elementos (ver figura N° 1.6). Los rasgos fundamentales son el ordenamiento de los elementos de acuerdo a su número Atómico creciente y el hecho de que los de propiedades similares se hallen unos debajo de otros en columnas verticales. A las secuencias verticales se las denomina grupos, y en ellos se ubica a los elementos de configuración electrónica similar. Tradicionalmente se designan con números romanos del I al VIII y letras A o B, aunque la IUPAC (Unión internacional de química teórica y aplicada) en 1989 estableció el uso de números arábigos del 1 al 18 y no llevan letra. A lo largo del texto se indicará la nomenclatura moderna entre paréntesis. Las secuencias horizontales se denominan períodos y se numeran empezando por arriba. En cada período se ubican los elementos cuyos átomos poseen tantos niveles energéticos ocupados como número del período. Así, el elemento de Z=3 tendrá 3e- distribuidos: 1s2 2s1 tiene 2 niveles ocupados (el primero completo y el segundo no) por lo tanto se encontrará en el período 2. La tabla periódica presenta 3 zonas las cuales están divididas por medio de trazos más gruesos: metales, no metales y gases nobles (Figura I.7). Si bien la clasificación no es estricta, los elementos que se encuentran a la izquierda de la tabla presentan características de metales: son buenos conductores del calor y de la electricidad, son generalmente sólidos a temperatura ambiente, etc. Estas propiedades derivan de la labilidad electrónica, lo que determina su tendencia a formar cationes. Los elementos situados en la parte superior derecha

3d8

3d6 4s2



de la tabla son no metales con propiedades opuestas a los elementos anteriores. El hidrógeno, posee una ubicación incierta, ya que por algunas de sus propiedades debería incluirse con los no metales, pero por su configuración electrónica y la capacidad de originar iones +1, también podría ubicárselo a la izquierda de la tabla. La tercera zona corresponde a la última columna de la tabla: los gases nobles. Estos elementos se consideran un grupo aparte por ser elementos que presentan una estabilidad especial y que no suelen combinarse con otros.

Figura N° 1.6

1.8. VALENCIA La valencia de un átomo es la cantidad de electrones de un átomo que participan en un enlace o en reacciones químicas. En general, la valencia es la cantidad de electrones en los niveles de



energía externos s y p. La valencia de un átomo se relaciona con su habilidad para participar en una combinación química con otros elementos. Algunos ejemplos de valencia son:

Mg:1s2 2s2 2p6 valencia = 2 Al: 1s2 2s2 2p6 valencia = 3 La valencia también depende del ambiente inmediato que rodee al átomo o de los átomos vecinos disponibles para enlazarse. El Fósforo tiene una valencia de 5 cuando se combina con el oxígeno. Pero la valencia del Fósforo sólo es tres: los electrones en el nivel 3p, cuando reacciona con el hidrógeno. El Manganeso puede tener valencias de 2,3,4,6 ó 7. 1.9. ELEMENTOS ELECTRONEGATIVOS Y ELECTROPOSITIVOS

Los elementos electropositivos son metálicos por naturaleza y ceden electrones en las reacciones químicas para producir iones positivos o cationes. El número de electrones cedidos por un átomo electropositivo en una reacción se indica por un número de oxidación positivo. Los elementos electronegativos son no metálicos en esencia y aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones negativos o aniones. El número de electrones aceptados por un átomo electronegativo de un elemento es indicado por un número de oxidación negativo. 1.10. ELECTRONEGATIVIDAD La electronegatividad está definida como la capacidad de un átomo para atraer electrones entre sí. La tendencia comparativa de un átomo a mostrar un comportamiento electropositivo o electronegativo puede cuantificarse asignando a cada elemento un número de electronegatividad. La electronegatividad se mide en una escala desde cero a 4,1 y a cada elemento se le asigna un valor en esta escala, como se muestra en la figura N° 1.7.

3s2

3s2 3p1



Figura N° 1.7

Los elementos más electropositivos son los metales alcalinos, cuyas electronegatividades van desde 0,9 para Cesio, Rubidio y Potasio a 1,0 para Sodio y Litio. Los más electronegativos son Flúor, Oxígeno y Nitrógeno, que tiene electronegatividades de 4,1; 3,5 y 3,1 respectivamente. El concepto de electronegatividad ayuda a comprender los tipos de enlaces de los elementos.

1.10. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Todos los técnicos e ingenieros, tanto: mecánicos, civiles, electricistas o industriales; están ligados con los materiales de que disponen. Ya sea se fabrique o repare: un automóvil, una planta eléctrica o un puente, el técnico o ingeniero deberá conocer a fondo las propiedades y las características de comportamiento de los materiales que se propone emplear. Si se considera por un momento la variedad de materiales que se usan en la construcción o reparación de un automóvil: fundición, acero, vidrio, plásticos, caucho, por solo nombrar algunos. Para el acero simplemente hay alrededor de dos mil variedades o modificaciones. De esta manera, ¿cuál será el criterio para seleccionar el material para un determinado uso? Para hacer esta selección se deberá tomar en cuenta propiedades tales como la ductilidad, maquinabilidad, estabilidad mecánica, duración química, comportamiento eléctrico y



alteraciones por radiaciones, así como también el importante factor de costo. Por ejemplo, el acero de un piñón deberá poder maquinarse fácilmente durante su producción y después deberá ser endurecido para soportar el uso severo. Los parachoques deberán hacerse de un material que pueda formarse con facilidad, pero que pueda resistir la deformación por impacto. La instalación eléctrica deberá ser capaz de soportar temperaturas extremas. Los diseños más avanzados de ingeniería dependen de los materiales más novedosos. Por ejemplo, el transistor no se pudo desarrollar con los materiales disponibles hasta hace pocos años; el desarrollo de la pila solar requirió de una nueva clase de semiconductores y aun cuando los diseños de ingeniería para los motores con turbinas a gas están muy avanzados, existe aún la necesidad de lograr un material barato que pueda resistir las altas temperaturas en las aspas de las turbinas de este tipo. Ya que obviamente es imposible para el ingeniero el conocer al detalle los miles de materiales actualmente disponibles, así como mantenerse informado en cuanto a los nuevos desarrollos, deberá tener una base firme en cuanto a los principios que gobiernan las propiedades de todos los materiales. Es necesario, entonces, conocer de la existencia de algunos términos y mediciones en ingeniería, y considerar:

1) La estructura de los materiales 2) Cómo se pueden afectar las propiedades de los materiales bajo las condiciones de

servicio.

Las propiedades de los materiales se suelen clasificar en diferentes grupos o categorías producto de las aplicaciones a las cuales será sometido:

1.10.1. Propiedades Físicas. 1.10.2. Propiedades Mecánicas. 1.10.3. Propiedades Tecnológicas. 1.10.4. Propiedades Químicas.

1.10.1. PROPIEDADES FÍSICAS En los materiales se distinguen las siguientes propiedades físicas:

Propiedades de los Cuerpos Propiedades Ópticas Propiedades Térmicas Propiedades Eléctricas Propiedades Magnéticas

1.10.1.1. Propiedades de los Cuerpos:

Masa: La masa es una propiedad general de la materia, es decir, cualquier cosa constituida por materia debe tener masa. Además es la propiedad de la materia que nos permite determinar la cantidad de materia que posee un cuerpo. Aunque no es lo mismo, el peso y la masa son proporcionales, de forma que al medir uno



se puede conocer la otra y, de hecho, en el lenguaje corriente, ambos conceptos se confunden.

Peso: Peso es la fuerza de atracción (llamada fuerza de gravedad) que ejerce la

tierra sobre la materia (masa) para llevarla hacia su centro.

Volumen: Los cuerpos tienen una extensión en el espacio, ocupan un volumen. El volumen de un cuerpo representa la cantidad de espacio que ocupa su materia y que no puede ser ocupado por otro cuerpo, ya los que los cuerpos son impenetrables. El volumen también es una propiedad general de la materia y, por tanto, no permite distinguir un tipo de materia, una sustancia, de otra, ya que todas tienen un volumen, ya sea sólido, liquido o gaseoso. Aunque toda la materia posee masa y volumen, la misma masa de sustancias diferentes ocupan distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá.

Densidad: La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el

volumen que ocupa. Es decir, se calcula dividiendo la masa de un cuerpo entre su volumen.

Inercia: Es la propiedad de los cuerpos que hace que éstos tiendan a conservar su

estado de reposo o de movimiento mientras que no exista una fuerza externa que vaya a cambiar dicho estado de reposo o movimiento. La inercia es una propiedad mensurable. Su medida se llama masa.

1.10.1.2. Propiedades Ópticas De acuerdo al comportamiento del material ante la incidencia de la luz sobre él, así encontraremos materiales que son:

Opacos: Aquellos que no dejan pasar luz, ni permiten ver a través de ellos.

Traslúcidos: Aquellos que dejan pasar la luz, pero no dejan ver a través, de ellos.

Trasparentes: Aquellos que dejan pasar la luz y permiten que se vea a través, de ellos.

1.10.1.3. Propiedades Térmicas



Esta propiedad describe cómo reacciona un material frente al calor. La mayoría de los metales son muy buenas conductores de calor. Por ejemplo, los radiadores se hacen de un metal que conduzca bien el calor. Por otro lado la fibra de vidrio o poliuretano se usa en ocasiones como aislante térmico en paredes y techos de construcciones. Se distinguen:

Calor Específico: Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo desde 0 hasta 1ºC. Su valor tiene gran importancia porque permite conocer la cantidad de calor que se necesita suministrar a una masa de metal para elevar su temperatura hasta la de transformación o de fusión.

Dilatación: Es el aumento de volumen que experimentan los cuerpos al aumentar su temperatura.

Fusibilidad: Es la propiedad de algunos materiales de poder pasar del estado sólido al líquido al aumentar su temperatura. Como se puede observar en el gráfico, hay grandes diferencias entre unos y otros metales (ver figura N° 1.8). Los metales como el estaño y plomo funden a muy bajas temperaturas, por lo que se utilizan para soldadura. El wolframio se funde a una temperatura altísima, por lo que se usa para filamentos de bombillas o herramientas de corte. Otros materiales como son la madera o el papel, no se funden al calentar sino que se combinan con el oxígeno y se queman.

Figura N° 1.8



Conductividad térmica: Es la facilidad que tiene un material para conducir el calor a través de él. Los metales son buenos conductores del calor, por eso se usan para calefacción y en útiles de cocina, pero los mangos de estos útiles son de baquelita, que es mal conductor térmico.

1.10.1.4. Propiedades Eléctricas Esta propiedad hace referencia a la capacidad del material para facilitar o dificultar el paso de corriente eléctrica a través de él. Se distinguen entonces materiales:

Conductores: Sus átomos están rodeados por una nube de electrones. Al comunicarles una pequeña cantidad de energía son capaces de escapar y constituir una corriente eléctrica. Los metales, por ejemplo, son materiales conductores.

Aislante: En estos materiales los electrones están muy unidos a los átomos y, por consiguiente, es necesario comunicarles una altísima energía para que pueda transmitir corriente eléctrica.

Semiconductores: Son materiales intermedios que poseen la cualidad de poder conducir electricidad en mayor grado que los materiales aislantes, pero en menor grado que los materiales conductores.

Superconductores: Son materiales que no ofrecen ninguna resistencia al paso de corriente eléctrica. Estos materiales están en amplia investigación en diferentes áreas, como el transporte de energía, en la construcción de ordenadores más potentes y con mayor capacidad de almacenamiento.

1.10.1.5. Propiedades Magnéticas

Son las propiedades que tienen algunos materiales de ser atraídos por los imanes. Según su respuesta a los imanes, los materiales pueden ser de tres tipos:

Diamagnéticos (no se imantan)

Ferromagnéticos (se pueden imantar y además guardan las propiedades magnéticas)

Paramagnéticos (se pueden imantar y cuando desaparecen las condiciones de imantación pierden las propiedades magnéticas)

1.10.2. PROPIEDADES MECÁNICAS



Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas tendientes a alterar su forma. Tienen gran importancia porque son las que dan a algunos metales su superioridad sobre otros materiales en cuanto a sus aplicaciones mecánicas. 1.10.2.1. Resistencia Es la medida del esfuerzo requerido para deformar o hacer fallar un material. Entendiéndose por esfuerzo la fuerza por unidad de área y se expresa en kilogramos por cm2, y se calcula simplemente dividiendo la fuerza total entre el área. Como la rotura de un metal puede producirse por tracción, compresión, flexión, torsión, pandeo o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura para cada uno de estos esfuerzos. Los distintos tipos de deformación que podemos aplicar a un material dan distintas resistencias:

Resistencia a la Tracción: Es la capacidad de un material de resistirse a ser alargado. Si estiramos un alambre de 1 cm2 por ambos lados, llega un momento en que se rompe. La fuerza necesaria para romper el alambre de esa sección se denomina resistencia a la tracción (Figura N° 1.9).

Figura N° 1.9

Resistencia a la Compresión: Es la resistencia que opone un cuerpo a las fuerzas que actúan sobre él cuando tratan de acortarlo (Figura N° 1.20).

Figura N° 1.20

Corte o Cizalle: Es la resistencia que opone un cuerpo a las fuerzas que actúan sobre él y que tienden a separarlo en dos partes haciéndolas resbalar una sobre la otra. (Figura N° 1.21)



Figura N° 1.21

Torsión: Es la resistencia que opone un cuerpo a las fuerzas que actúan sobre él cuando tienden a retorcerlo alrededor de su eje. (Figura N° 1.22)

Figura N° 1.22

Pandeo: Es el esfuerzo ejercido en una columna en su zona superior, estando empotrada en la base, provocando una torsión y alabeándose por el medio. (Figura N° 1.23)

Figura N° 1.23

Flexión: Es la resistencia que opone un cuerpo a las fuerzas que actúan sobre él cuando tratan de doblarlo. (Figura N° 1.24)



Figura N° 1.24

1.10.2.2. Elasticidad

Es la disposición de un material para recobrar sus dimensiones originales cuando cesen los esfuerzos que lo deformaron. El límite de elasticidad, es el límite del esfuerzo dentro del cual desaparece completamente la deformación después de la supresión del esfuerzo; es decir, no queda deformación permanente alguna. (Figura N° 1.25)

Figura N° 1.25

1.10.2.3. Plasticidad Se dice que la deformación es plástica, cuando suprimida la carga que la produjo, el cuerpo permanece deformado. Dicho de otra manera, plasticidad es la capacidad de deformación de un metal sin que llegue a romperse. Si la deformación se produce por alargamiento mediante un esfuerzo de tracción, esta propiedad se llama ductilidad; cuando lo es por aplastamiento mediante un esfuerzo de compresión, se llama maleabilidad.( Figura N°1.26)



Figura N° 1.25

1.10.2.4. Tenacidad Es una medida de la energía requerida para hacer fallar o deformar un material. La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad. La energía que es el producto de fuerza por distancia, se expresa en kilogramos – metros, está íntimamente ligada con el área bajo la curva esfuerzo – deformación. Un material dúctil con igual resistencia que un material no dúctil requerirá más energía para fallar, y será más tenaz. (Figura N° 1.26)

Figura N° 1.26 1.10.2.5. Resiliencia Expresa la resistencia de un metal a su rotura por choque. Es el resultado de un ensayo. Los valores de resiliencia son mayores a medida que aumenta la tenacidad de un material. (Figura N° 1.27)

Figura N° 1.27



1.10.2.6. Dureza Propiedad que expresa la resistencia que opone a la penetración o rayado de otro cuerpo duro más duro. A los materiales duros no se les puede marcar fácilmente huellas ni rayar (Figura N° 1.28) Los filos de las herramientas de corte, por ejemplo cincel, sierra y broca deben ser más duros que el material a trabajar. La dureza evita que las superficies que se tocan entre sí se desgasten rápidamente. Materiales duros son el acero templado, la fundición blanca y el diamante. Los ensayos más importantes para designar la dureza de los metales, son los de penetración, en que se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre la superficie del metal, con una presión y un tiempo determinados, a fin de dejar una huella que depende de la dureza del metal, los métodos más utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers.

Figura N° 1.28 1.10.2.7. Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad, y por tanto, de tenacidad o también podemos decir que es la resistencia del material a la deformación (Figura N° 1.29). Los materiales frágiles se rompen en el límite elástico, es decir su rotura se produce espontáneamente al rebasar la carga correspondiente al límite elástico. Resistencia del material a la deformación

Figura N° 1.29 1.10.2.8. Fluencia



Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas. Esta deformación lenta, se denomina también creep. 1.10.2.9. Fatiga Si se somete una pieza a la acción de cargas periódicas (alternativas o intermitentes), se puede llegar a producir su rotura con cargas menores a las que producirían deformaciones. (Figura N° 1.30)

Figura N° 1.30 1.10.3. PROPIEDADES TECNOLÓGICAS Determinan la capacidad de un metal a ser conformado en piezas o partes útiles o aprovechables. Estas son: 1.10.3.1. Fusibilidad Es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o coladas. 1.10.3.2. Colabilidad Es la capacidad de un metal fundido para producir piezas fundidas completas y sin defectos. Para que un metal sea colable debe poseer gran fluidez para poder llenar completamente el molde. Los metales más fusibles y colables son la fundición de hierro, de bronce, de latón y de aleaciones ligeras. (Figura N° 1.31)



Figura N° 1.31 1.10.3.3. Soldabilidad Es la aptitud de un metal para soldarse con otro idéntico bajo presión ejercida sobre ambos en caliente. Poseen esta propiedad los aceros de bajo contenido de carbono. 1.10.3.4. Facilidad de mecanizado Es la propiedad de un metal de dejarse mecanizar con arranque de viruta, mediante una herramienta cortante apropiada. Son muy mecanizables la fundición gris y el bronce, con virutas cortadas en forma de escamas. El acero dulce y las aleaciones ligeras de alta tenacidad, producen virutas largas. (Figura N° 1.32)

Figura N° 1.32 1.10.3.5. Maleabilidad Es la propiedad de un metal que permite martillarlo o laminarlo para darle otras formas y tamaños. (Figura N° 1.33)



Figura N° 1.33

1.10.3.6. Ductilidad Es la propiedad del metal para deformarse o doblarse sin romperse. Los metales más dúctiles son el oro, plata, cobre, hierro, plomo y aluminio. (Figura N° 1.34)

Figura N° 1.34 1.10.3.6. Templabilidad Proceso de baja temperatura en el tratamiento térmico del material, con el que se obtiene el equilibrio deseado entre la dureza y la tenacidad del producto final. Las piezas de acero endurecidos se calientan y luego se enfrían rápidamente en agua o aceite para lograr un material más duro, con menos tensiones internas, pero más frágil. 1.10.3.7. Recocido Proceso de tratamiento térmico por el cual ciertos materiales se hacen menos quebradizos y más resistentes a la fractura el recocido minimiza los defectos internos en la estructura atómica del material y elimina posibles tensiones internas. 1.10.3.8. Acritud Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como consecuencia de la deformación en frío. (Figura N° 1.35)



Figura N° 1.35 1.10.4. PROPIEDADES QUÍMICAS Hacen referencia tanto a la estructura atómica interna que posee el material, como al comportamiento de éste, ante elementos del medio ambiente u otras sustancias a las cuales se asocie. Distinguiremos entonces el concepto de oxidación del concepto de corrosión: 1.10.4.1. Oxidación Si se combina una sustancia con oxígeno, el proceso recibe el nombre de oxidación, y la combinación obtenida recibe el nombre de óxido. Ejemplo: Dióxido de carbono, óxido de aluminio. En toda oxidación se libera también calor. Cuanto más rápidamente se desarrolla la oxidación tanto más elevadas son las temperaturas que se alcanzan. Una oxidación muy rápida, con fuerte desarrollo de luz y calor recibe el nombre de combustión. Cuando se extrae el oxígeno a un óxido, se habla de reducción. Ejemplo: la electrólisis del agua, la obtención de la mayoría de los metales. Muchos óxidos metálicos se presentan en la naturaleza como minerales. Tienen gran importancia porque se utilizan para extraer de ellos los metales . Así por ejemplo, el hierro se obtiene en el alto horno sustrayendo un óxido de hierro (el mineral de hierro) el oxígeno mediante carbono y calor. 1.10.4.2. Corrosión Se llama corrosión a una alteración perjudicial o destructora de un material que se presenta desde su superficie. La corrosión puede obedecer a causas químicas o a causas electroquímicas. Corrosión química: La mayoría de los metales experimentan por la acción de los ácidos, bases, soluciones salinas o los gases (por ejemplo el oxígeno), una alteración que empieza desde su superficie, donde se forma una capa constituida por la combinación química del metal la sustancia que actúa sobre él. Si la capa está exenta de poros, no es soluble en agua y también impermeable a los gases, dicha capa puede impedir el avance de la corrosión química,



y por tanto toma el papel de una capa protectora, como es el caso de la capa de óxido de aluminio sobre el aluminio. Si la capa es soluble en agua, porosa, la corrosión continuará hasta que el material quede destruido, como sucede con la oxidación del acero. El oxígeno, la humedad del aire y especialmente los líquidos que contengan ácidos y bases pueden ocasionar la destrucción de los metales. Todos los metales, con excepción de los llamados metales nobles, forman con el transcurso del tiempo y por la acción del oxígeno de la atmósfera, una capa de óxido en la superficie. El oxígeno es uno de los principales elementos de reacción en la corrosión química. Así por ejemplo, se oxidan el hierro y el acero en presencia de oxígeno, vapor de agua y anhídrido carbónico, formando óxido de hierro hidratado e hidróxido de hierro. La aportación de calor puede actuar sobre el proceso de corrosión como un acelerador.

Corrosión electroquímica: La corrosión electroquímica se presenta cuando intervienen dos metales distintos y un electrolito (líquido conteniendo ácido o una base o solución salina), que forman un elemento galvánico en el que fluye una corriente. Todos los metales tienen tendencia a disolverse en los electrolitos (presión de disolución). A este respecto, los metales no nobles experimentan una mayor presión de disolución y los metales nobles una presión de disolución más pequeña. La altura de la presión de disolución es, a la vez, un índice de la altura del exceso de electrones. Cuanto más alta es la presión de disolución, tanto más elevado es el exceso de electrones. A causa de la diferente magnitud del exceso de electrones entre los distintos metales, se forma la tensión eléctrica. Por el circuito exterior fluye una corriente de electrones que parte del metal con mayor exceso de electrones (metal no noble, polo -) al metal con menor excedente de electrones (metal más noble, polo +), siendo transportado, o sea corroído el metal menos noble. La magnitud de la tensión que se forma es decisiva para el transporte (corrosión). La tensión depende de la posición de los metales dentro de la serie electroquímica de tensiones.



UNIDAD 2. ENLACES ATÓMICOS Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS

2.1. ENLACES ATÓMICOS Existen 3 tipos principales de enlaces primarios interatómicos, que son iónico, covalente y metálico. Además, existen enlaces secundarios mas débiles, basados en la atracción electroestática entre moléculas polarizadas. Este tipo de enlace secundario, conocido como enlace de Van der Waals, se da entre los átomos de gases a muy bajas temperaturas. 2.1.1 Enlace Metálico: Los átomos forman una estructura cristalina compacta, y los electrones de la capa exterior, o de valencia, son compartidos por todos los átomos del conjunto (los electrones formar un mar o nube de electrones que rodea a los átomos), la resistencia de este enlace es menor que la de un enlace covalente (ver figura 2.1). Los enlaces metálicos son no direccionales; los electrones que mantienen ligados a los átomos no están fijos en una posición. Cuando se dobla un metal y los átomos intentan cambiar su relación entre ellos, la dirección del enlace simplemente se desliza en lugar de romperse. Esto permite que los metales sean conformados en configuraciones útiles. La unión metálica permite también que los metales sean buenos conductores eléctricos, cada electrón no pertenece a ningún átomo en particular, pero cada átomo tiene una número de átomos determinado. Mientras más puro el material mejor conductor, si son aleaciones se forman diferentes fases que quitan rapidez al flujo de electrones.



Figura 2.1

2.1.2. Enlace Covalente: Este es un enlace basado en el compartimiento de electrones (Figura 2.2). Los materiales ligados de esta forma comparten electrones entre dos o más átomos. Los átomos deben acomodarse de manera que los enlaces tengan una relación direccional fija entre ellos. Como las uniones covalentes son muy fuertes, los materiales unidos de este modo tienen poca ductilidad y escasa conductividad eléctrica, para que un electrón se mueva y forme una corriente eléctrica, el enlace covalente debe romperse por altas temperaturas o altos voltajes (con excepción de los polímeros que por estar formados por moléculas orgánicas no soportan tan altas temperaturas). Muchos materiales cerámicos y poliméricos están completa o parcialmente unidos por enlaces covalentes, lo que explica por que el vidrio se rompe cuando es golpeado, y por que los ladrillos son buenos aislantes del calor y la electricidad.

Figura 2.2

2.1.3. Enlace Iónico: Es un enlace basado en la transferencia de electrones (Figura 2.3). Los átomos que tienen pocos electrones en su capa exterior pueden ionizarse al perderlos, y así dejan al descubierto una capa saturada de electrones. Por el contrario, los átomos cuyas capas exteriores se



encuentren casi saturadas pueden convertirse en iones con carga negativa al capturar uno o más electrones. Por ejemplo:

Figura 2.3

El enlace entre los átomos en la sal común (cloruro de sodio) es un típico enlace iónico. En el enlace que se forma, el sodio se transforma en catión (ión de carga positiva) entregando su electrón de valencia al cloro, que se convierte en anión (ión de carga negativa). Este intercambio de electrones se refleja en la diferencia de tamaño entre los átomos y iones. Atraídos por fuerzas electrostáticas, los iones se organizan formando una red cristalina en la que cada uno es fuertemente atraído hacia un grupo de „vecinos próximos de carga opuesta y, en menor medida, hacia todos los demás iones de carga opuesta a través de todo el cristal. 2.1.4. Enlace de Van Der Waals: Esta es una atracción electrostática débil que ocurre entre átomos o moléculas que están polarizadas, es decir, en los casos en que los centros de las cargas positivas y negativas no coinciden, originándose así un dipolo (Figura 2.4). Todos los átomos y moléculas, aunque sean apolares, forman pequeños dipolos debidos al giro de los electrones en torno al núcleo. Por ejemplo moléculas de agua están permanentemente polarizadas; algunas porciones de las moléculas tienden a estar con carga positiva, mientras otras porciones están cargadas negativamente atrayéndose entre sí. La presencia de este dipolo hace que los átomos o moléculas contiguas también se polaricen, de tal manera que se producen pequeñas fuerzas de atracción electrostática entre los dipolos que forman todos los átomos. A estas fuerzas de dispersión se opone la repulsión electrostática entre las capas electrónicas de dos átomos o moléculas contiguos. Las fuerzas de Van der Waals conforman el tipo más débil de fuerza intermolecular que puede darse en la naturaleza.

Figura 2.4



2.2. ESTRUCTURAS Y GEOMETRÍAS CRISTALINAS Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. Cuando un material se encuentra en forma de gas, sus átomos están más dispersos o desordenados (a una mayor distancia uno de otro) en comparación con los átomos de ese mismo material pero en estado líquido o sólido. Existen materiales en los que sus átomos siempre están en desorden o desalineados aún en su estado sólido, a estos materiales se les llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se considera como un líquido solidificado. Describiremos el arreglo atómico característico en materiales perfectamente sólidos, y se expondrá la nomenclatura utilizada para describir tal ordenamiento. Sin considerar las imperfecciones en los materiales, existen tres niveles de organización de los átomos: 2.2.1. Sin Orden: En los gases y la mayoría de los líquidos, los átomos y las moléculas carecen de un arreglo ordenado; los átomos se distribuyen aleatoriamente donde se confina el gas. Ver figura 2.5 caso (a). 2.2.2. Ordenamiento particular o de corto alcance: El ordenamiento característico de los átomos se restringe solamente a átomos circunvecinos. Cada molécula de vapor de agua tiene un ordenamiento limitado debido a los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y oxígeno, una situación parecida ocurre en los cristales de los cerámicos y los polímeros. Ver figuras 2.5 casos (b) y (c). 2.2.3. Ordenamiento general o de largo alcance : En los metales, algunos cerámicos y polímeros, presentan este arreglo que se distribuye a través de todo el material, la red tiene un patrón general, que se distribuye uniformemente en todo el material. La red cristalina difiere de un material a otro por tamaño de átomo y tipo de enlace. En el caso de 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 identificadas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X. Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata del mismo material, así por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas: la malla cúbica de cuerpo centrado, la malla cúbica de cara centrada y la malla hexagonal compacta. Cada una de estas estructuras atómicas tienen diferentes números de átomos. Ver figura 2.5 caso (d).



Figura 2.5

2.3. REDES, CELDAS UNITARIAS Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS La importancia en la ingeniería de la estructura física de los materiales sólidos depende principalmente de la disposición de los átomos, iones o moléculas que constituyen el sólido y de las fuerzas de enlace entre ellos. Si los átomos o iones de un sólido se ordenan de una disposición que se repite en tres dimensiones, forman un sólido del que se dice tiene una estructura cristalina y nos referimos a él como un sólido cristalino o material cristalino. Ejemplos de materiales cristalinos son metales, aleaciones y algunos materiales cerámicos. Con el fin de simplificar la descripción de una estructura, cualquiera sea su grado de complejidad, la cristalografía o ciencia de los cristales, aporta una base de conceptos geométricos, que permiten establecer en forma adecuada las características de ordenamiento atómico en el espacio. El primero de ellos es el concepto de "red cristalina", que se define como un arreglo tridimensional de puntos, de tal modo que cada punto tiene idénticos alrededores figura 2.6.



Figura 2.6

La estructura del cristal se describe, luego, por asociatividad de los átomos a cada punto de la red. Dado que todas las celdas que componen la red son idénticas, basta elegir una de ellas, por ejemplo aquella marcada con línea gruesa en la figura, para conocer el arreglo en su totalidad. Esta celda, que es la "unidad de repetición" en la red, se denomina "celda unitaria".

La celda se define, en general, mediante seis parámetros (a, b, c, α, β , γ) denominados "parámetros de red del cristal", El tamaño y la forma de la celda unidad puede describirse por tres vectores reticulares a, b y c, que se originan a partir de un vértice de la celda unidad .Las longitudes axiales a, b, y c y los ángulos inter-axiales α, β y γ son los parámetros de red (Figura 2.7).

Figura 2.7

2.3.1 Sistemas Cristalinos y Redes de Bravais Asignando valores específicos para las longitudes axiales y los ángulos inter-axiales, se pueden construir deferentes tipos de celda unidad. Los cristalógrafos han mostrado que son necesarias



sólo siete tipos diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales. Estos sistemas se recogen en la tabla

La mayor parte de estos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unidad básica. A. J. Bravais mostró que las 14 celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles. Estas redes de Bravais se ilustran en la figura 2.7. Hay cuatro tipos básicos de celda unidad: (1) Primitiva o Sencilla, (2) Centrada en el cuerpo, (3) Centrada en las caras, y (4) Centrada en la base. La mayor parte de estos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unidad básica. A. J. Bravais mostró que las 14 celdas unidad estándar podían describir todas las estructuras reticulares posibles. Estas redes de Bravais se ilustran en la figura 2.7. Hay cuatro tipos básicos de celda unidad: (1) Primitiva o Simple, (2) Centrada en el cuerpo, (3) Centrada en las caras, y (4) Centrada en la base.



Figura 2.7



2.3.2. Principales estructuras cristalinas metálicas

La mayoría de los metales elementales (cerca del 90%) cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas: cúbica centrada en el cuerpo (BCC) (fig. a), cúbica centrada en las caras (FCC) (fig. b) y hexagonal compacta (HCP) (fig. c). La estructura HCP es una modificación más densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla (figura. 2.8).

Figura 2.8

La mayor parte de los metales cristaliza en estas estructuras densamente empaquetadas debido a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y enlazan cada vez más estrechamente entre sí. De este modo, dichas estructuras densamente empaquetadas se encuentran en disposiciones u ordenamientos de energía cada vez más baja y estable. El pequeño tamaño de las celdillas unidad de los metales cristalinos que se muestran en la figura 2.9 debería ser el resultado: La arista del cubo de la celda unidad del hierro cúbico centrado en el cuerpo, por ejemplo, a temperatura ambiente es igual a 0,287*10-9m, ó 0,287 nanómetros (nm). Por consiguiente, si las celdas unidad de hierro puro estuvieran alineadas arista con arista en 1mm, habría:

Examinemos ahora detalladamente la disposición de los átomos en las celdas unidad de las tres principales estructuras cristalinas. Aunque sea sólo una aproximación, consideremos a los átomos de estas estructuras como esferas rígidas. Las distancia entre los átomos (distancia interatómica) en las estructuras cristalinas puede ser determinado experimentalmente por análisis de difracción de rayos X. Por ejemplo, la distancia interatómica entre dos átomos de aluminio en un fragmento de aluminio puro a 20ºC es 0,2862 nm. Se considera que el radio del aluminio en el aluminio metal es la mitad de la distancia interatómica, ó 0,143 nm. Los radios atómicos de determinados átomos metálicos son recogidos en las tablas (a) y (b).



TABLA (a) ALGUNOS METALES CON ESTRUCTURAS CRISTALINAS BCC A TEMPERATURA AMBIENTE (20ºC), SUS CONSTANTES RETICULARES Y SUS RADIOS ATÓMICOS.

TABLA (b) ALGUNOS METALES CON ESTRUCTURAS FCC A TEMPERATURA AMBIENTE (20ºC), SUS CONSTANTES DE RED Y SUS RADIOS ATÓMICOS.

En primer lugar consideremos la situación de los átomos en la celda unidad para la estructura cristalina BCC mostrada en la figura (a) . En esta celda unidad las esferas sólidas representan los centros donde los átomos están localizados e indican claramente sus posiciones relativas. Si representamos los átomos en estas celdas como esferas rígidas, entonces la celda unidad presentará el aspecto en la figura (b). En esta celda unidad podemos observar que el átomo central se encuentra rodeado por otros ocho vecinos más cercanos y se dice tiene un número de coordinación de 8. Si asilamos una celda unidad sencilla de esferas rígidas, obtendremos el modelo mostrado en la figura (c). Cada una de estas celdas tiene el equivalente de dos átomos por celda unidad. Un átomo completo está localizado en el centro de la celda unidad, y un octavo de esfera está localizado en cada vértice de la celda unidad, haciendo el equivalente de otro átomo. De este modo, hay un total de 1 (en el centro) + 8*1/8 (en los vértices) = 2 átomos por celda unidad.



Figura 2.9

Los átomos en las celdas BCC contactan entre sí a través de la diagonal del cubo, según indican en la figura 2.10, de modo que la relación entre la longitud de la cara del cubo a y el radio atómico R es:

Figura 2.10



Si los átomos en la celda BCC se consideran esféricos, el factor de empaquetamiento atómico (APF) puede calcularse usando la ecuación:

A continuación consideremos la celda reticular unitaria FCC de la figura 2.11a. En esta celda unidad hay un punto reticular en cada vértice del cubo y otro en el centro de cada cara del cubo. El modelo de esferas sólidas del la figura 2.11b indica que los átomos de esta estructura están unidos del modo más compacto. El APF de esta estructura de empaquetamiento compacto es 0,74 que al compararla con el valor de 0,68 para la estructura BCC, indica que ésta no es compacta.

Figura 2.12

La celda FCC, según muestra la figura (c), tiene el equivalente a cuatro átomos por celda unidad. Los ocho octavos de átomo de los vértices cuentan por uno entero (8*1/8 = 1) y los seis medios átomos en las caras del cubo contribuyen con otros tres átomos más, haciendo un total de cuatro átomos por celda unidad. Los átomos en la celda FCC contactan entre sí a lo largo de la diagonal de la cara del cubo, según se observa en la figura 2.12 de tal modo que la relación entre la longitud de la cara del cubo y el radio atómico es:



Figura 2.12

El APF para la estructura FCC es 0,74 que es mayor que el factor 0,68 de la estructura BCC. El APF de 0,74 es el máximo posible para empaquetamiento de átomos esféricos. Muchos metales como Cu, Al, Pb, Ni y Fe a elevadas temperaturas (912 a 1394°C) cristalizan según la estructura FCC. La tabla (b) muestra las constantes reticulares y los radios atómicos para los metales seleccionados con estructura FCC. La tercera estructura electrónica más común es la HCP, mostrada en la figura 2.13



Figura 2.13

Los metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla porque el APF es demasiado bajo. Los átomos pueden alcanzar una energía más baja y unas condiciones más estables para formar la estructura HCP de la figura 2.13. El APF de esta estructura es 0,74 el mismo que para la estructura FCC, ya que para ambas estructuras los átomos están empaquetados de un modo lo más cercano posible. En ambas estructuras, HCP y FCC, cada átomo está rodeado de otros 12 átomos y por tanto ambas estructuras tienen un número de coordinación 12. Las diferencias en el empaquetamiento atómico en las estructuras cristalinas HCP y FCC serán estudiadas más adelante. La celda unidad HCP aislada aparece representada en la figura 2.13c y tiene un equivalente de seis átomos por celda unidad. Tres átomos forman un triángulo en la capa intermedia, como se indica por las posiciones atómicas en la figura 2.13a. Existen 6*1/6 secciones de átomos en las capas de arriba y de abajo, haciendo un equivalente de 2 átomos más (2*6*1/6 = 2). Finalmente, hay dos mitades de átomos en el centro de ambas capas superior e inferior,



haciendo el equivalente de un átomo más. El número total de átomos en la estructura HCP es, por tanto, 3 + 2 + 1 = 6. La relación de la altura c del prisma hexagonal de la estructura cristalina HCP al lado de la base a, se llama relación c/a (fig. 2.13a). La relación c/a para una estructura cristalina HCP ideal consistente en esferas uniformes tan próximas como sea posible es 1,633. La tabla siguiente muestra algunos metales HCP importantes y sus relaciones c/a. De los metales listados, cinc y cadmio tienen una relación c/a más lata de lo ideal, lo que indica que los átomos en estas estructuras están ligeramente elongadas a lo largo del eje c en la celda unidad HCP. Los metales de magnesio, circonio, titanio y berilio tienen relaciones c/a menores que la relación ideal. Por tanto, en estos metales los átomos están ligeramente comprimidos a lo largo de la dirección del eje c. De este modo, para los metales HCP listados en la tabla se da una cierta cantidad de desviación del modelo ideal de esferas rígidas.

ALGUNOS METALES CON ESTRUCTURA HCP A TEMPERATURA AMBIENTE (20ºC), SUS CONSTANTES DE RED, SUS RADIOS ATÓMICOS

RELACIONALES c/a.

2.3.3. Posiciones atómicas en las celdas unidad cúbica Para localizar las posiciones atómicas en las celdas unidad utilizamos el sistema de ejes x, y, y z (Figura 2.14). En cristalografía, el eje x positivo es normalmente la dirección perpendicular al plano del papel, el eje y positivo es la dirección hacia la derecha del papel y el eje z positivo es la dirección hacia la parte superior. Las direcciones negativas son las opuestas a las que se acaban de describir. Las posiciones atómicas en celdas unitarias se localizan usando distancias unidad a lo largo de los ejes x, y, y z como se indica en la figura 2.14a. Por ejemplo las coordenadas de posición para los átomos en la celda unidad BCC se muestran en la figura 2.14b. Las posiciones atómicas para los ocho átomos situados en los vértices de la celda unidad BCC son (0,0,0)

(1,0,0) (0,1,0) (0,0,1) (1,1,1) (1,1,0) (1,0,1) (0,1,1)

:



(0,0,0) (1,0,0) (0,1,0) (0,0,1)

(1,1,1) (1,1,0) (1,0,1) (0,1,1) Figura 2.14

El átomo central de la unidad celular BCC tiene las coordenadas (1/2,1/2,1/2). Las posiciones atómicas de la celda unidad que son (0,0,0) y (1/2,1/2,1/2). Las posiciones atómicas restantes de la celda unidad se suponen comprendidas. De la misma manera, las posiciones atómicas en la celda unidad FCC pueden ser localizadas.

2.3.4. Direcciones en celdas unidad cúbica A menudo, es necesario referirnos a posiciones específicas en las redes cristalinas. Esto es especialmente importante para metales y aleaciones con propiedades que varían con la orientación cristalográfica. Para cristales cúbicos los índices de las direcciones cristalográficas son los componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo de cada eje coordenado y reducidas a los enteros más pequeños.

Dirección cristalográfica: vector que une dos puntos de la red cristalina. 2.3.4.1 Procedimiento para determinación de los índices de Miller de una dirección cristalográfica:

Trasladar el “vector dirección” de manera que pase por el origen del sistema de coordenadas.

Determinar la proyección del vector en cada uno de los tres ejes coordenados.

esas proyecciones deben ser medidas en términos de los parámetros de red (a,b,c)



Restar las coordenadas del punto “cola” de las coordenadas de las del punto “cabeza” para obtener la cantidad de parámetros de red recorridos en la dirección de cada eje.

Multiplicar o dividir esos tres números por un factor común, de tal forma que los tres números resultantes sean los menores enteros posibles.

Representar la dirección escribiendo los tres números entre corchetes [u v w]. Si se produce un número negativo, representarlo con una barra o raya sobre el número.

Por ejemplo, las coordenadas de posición del vector de dirección OR en la figura 2.15a donde sale de la superficie cúbica es (1,0,0) y de este modo los índices de dirección para el vector OR son [110]. Las coordenadas de posición del vector OS (fig. 2.15a) son (1,1,0) y así los índices de dirección para OS son [110]. Las coordenadas de posición para el vector OT (fig. 2.15b) son (1,1,1) y así los índices de dirección de OT son [111].

Figura 2.15

Las coordenadas de posición del vector director OM (fig. 2.15c) son (1,1/2,0), y como los vectores dirección han de ser enteros, estas posiciones han de ser multiplicadas por dos para obtener enteros. Así, los índices de posición de OM quedan convertidos en: 2(1,1/2,0) = [210]. Un índice negativo de dirección se escribe con una barra sobre el índice. Así los índices de dirección para el vector ON son[110]. Obsérvese que para dibujar la dirección ON dentro del cubo, el origen del vector director tiene que llevar al vértice inferior derecho del cubo unidad (fig. 2.15d).

Las letras u,v,w son utilizadas generalmente para índices de dirección en las direcciones de los ejes x,y, z respectivamente y se escriben con [u v w]. Es importante destacar que todos aquellos vectores de dirección paralela tiene los mismos índices de dirección. Las direcciones se dice que son cristalográficamente equivalentes si los espacios atómicos a lo largo de cada dirección son los mismos. Por ejemplo, las siguientes direcciones de una arista del cubo son cristalográficamente equivalentes:



2.3.4.2. Índices de Miller para planos cristalográficos en celdas de unidad cúbica A veces es necesario referirnos a los planos reticulares específicos de átomos dentro de una estructura cristalina o puede ser interesante conocer la orientación cristalográfica de un plano o grupo de planos en una red cristalina. Para identificar los planos cristalinos en estructuras cristalinas cúbicas se usa la notación de Miller: Los índices de Miller de un plano cristalino están definidos como los recíprocos de las intersecciones que el plano determina con los ejes x, y, z de los tres lados no paralelos del cubo unitario. Las aristas de una celda cúbica unitaria representan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos de una red se miden sobre la base de estas longitudes unitarias. El procedimiento para determinar los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico

Escoger un plano que no pase por el origen (0,0,0).

Determinar las intersecciones del plano en base a los ejes x, y, z cristalográficos

para un cubo unitario. Estas intersecciones pueden fraccionarias.

Construir los recíprocos de estas intersecciones.

Despejar las fracciones y determinar el conjunto más pequeño de números enteros que estén en la misma razón que las intersecciones. Estos números enteros son los índices de Miller de un plano cristalográfico y se encierran entre paréntesis sin usar comas. La notación (hkl) se usa para indicar los índices de Miller en sentido general, donde h, k y l son los índices de Miller para un plano de un cristal cúbico de ejes x,y y z respectivamente.

Figura 2.16

La figura 2.16 muestra tres de los más importantes planos cristalográficos de las estructuras cúbicas. Consideremos primero el plano cristalino sombreado de la figura 2.16a, con intersecciones 1, ∞, ∞ a los ejes x, y y z respectivamente. Tomamos los recíprocos de estas intersecciones para obtener los índices de Miller que son, por consiguiente, 1, 0, 0. Como estos números no son fraccionarios, los índices de Miller para este plano son (100) que es leído como el plano uno, cero, cero. Seguidamente, consideremos el segundo plano mostrado en la figura 2.16b. Las intersecciones de este plano son 1,1, ∞ . Puesto que los recíprocos de estos números son 1,1, 0 no involucran fracciones, siendo los índices de Miller para este plano (110). Finalmente, el tercer plano, figura 2.16c tiene las intersecciones 1, 1, 1 que nos dan un índice de Miller (111) para este plano.



Considérese ahora el plano del cristal cúbico mostrado en la figura 2.17 con intersecciones 1/3, 273, 1. Los recíprocos son 3, 3/2,1. Puesto que no están aplicadas por dos para convertir la fracción 3/2 en un entero. Así la intersección recíproca se convierte en 6, 3 y 2 y los índices de Miller son (632).

Figura 2.17

Si se considera que el plano cristalino pasa por el origen de manera que una o más intersecciones son cero, el plano ha de ser desplazado hasta una posición equivalente en la misma celdilla unidad de modo que el plano permanezca paralelo al plano origen. Esto es posible porque todos los planos paralelos equidistantes se denotan mediante los mismos índices de Miller. Si grupos de planos reticulares equivalentes están relacionados por la simetría del sistema cristalino, se llaman planos de una familia o forma. Los índices de un plano de la familia son encerrados entre llave, como {hkl} para representar los índices de una familia de planos simétricos. Por ejemplo, los índices de Miller de los planos de la superficie del cubo (100), (010) y (001) se designan colectivamente como una familia o forma por la notación {100}.

2.4. POLIMORFISMO Y ALOTROPÍA Muchos compuestos y elementos existen en más de una forma cristalina bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Este fenómeno es determinado como polimorfismo o alotropía. Muchos metales industrialmente importantes como el hierro, titanio y cobalto experimentan transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas manteniendo la presión atmosférica. El hierro existe en ambas estructuras cristalinas BCC y FCC, sobre un rango de temperaturas que va desde la temperatura ambiente hasta su punto de fusión a 1539°C, como se muestra en la figura 2.18. El hierro (α) existe desde – 273 a 912°C y tiene la estructura cristalina BCC. El hierro (γ) existe desde 912 hasta 1394°C y tiene su estructura cristalina FCC.



El hierro delta (δ) existe desde 1394 hasta 1539°C, que es el punto de fusión del hierro. La estructura cristalina del hierro delta es también la BCC pero con una constante de red mayor que la del hierroα.

Figura 2.18

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