INTRODUCCION

Los materiales y la naturaleza de ellos es parte fundamental en los procesos de manufactura, pues estos son sometidos a procesos físicos-químicos para llegar a ser un producto terminado, La comprensión plena de estos no llevara al éxito en dicho proceso, de ahí que debemos entender de manera clara y concisa cuales son los materiales de ingeniería, cómo se forman dichos materiales, sus tipos de estructura cristalina, sus imperfecciones, ordenamiento atómico, los enlaces que los constituyen y los comportamientos de estos en condiciones normales y extremas.

TEMA

Durante el aprendizaje de esta unidad analizaremos de forma exhaustiva la forma en que influyen las estructuras cristalinas, sus imperfecciones, el ordenamiento atómico y los enlaces que forman los materiales de ingeniería en los procesos de manufactura.

RECURSOS

materiales.wikispaces.com/file/view/ Grano +cristalino.doc

es.wikipedia.org/wiki/Borde_de_ grano

Enciclopedia Encarta 04,

Wikipedia

Apraiz J. (1979) “Fabricación de hierro, aceros y fundiciones”. Ed. Urmo y https://www.u- cursos.cl/ingenieria.

http://www.mitecnologico.com/Main/EstructuraAmorfa

http://www.textoscientificos.com/polimeros/estructura

ENLACES ENTRE ATOMOS Y MOLECULAS

Los átomos se enlazan entre sí formando una gran diversidad de sustancias. Dichas sustancias poseen diferentes propiedades, que dependen, en parte, de las diferentes maneras en que se enlazan los átomos.

Los enlaces son de dos tipos Primarios (asociados a la formación de moléculas)y Primarios(asociados a la atracción de moléculas) y permiten agrupar las sustancias en tres grandes grupos.

En los enlaces primarios tenemos:

IÓNICOS: Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos se encuentran con átomos no metálicos en este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal, transformándose en iones positivos y negativos, Al formarse iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas las llamamos enlaces iónicos.

COVALENTES: Los enlaces covalentes son las fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos no metálicos. Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo (electrones de valencia) y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos. Por tanto, los átomos no metálicos no pueden cederse electrones entre sí para formar iones de signo opuesto.

En este caso el enlace se forma al compartir un par de electrones entre los dos átomos, uno procedente de cada átomo. El par de electrones compartido es común a los dos átomos y los mantiene unidos

METÁLICOS:

El enlace metálico involucra compartir electrones de la capa exterior por medio de todos los átomos para formar una nube de electrones general que abarca al bloque entero. Esta nube proporción las fuerzas de atracción para mantener juntos a los atomos y formar una estructura rígida y fuerte. Debido al modo que comparten electrones y a la libertad que tienen estos para moverse dentro del metal, el enlace metálico proporciona conductividad eléctrica buena.

Mientras que los enlaces primarios Involucran fuerzas de atracción de átomo con átomo, en un enlace secundario no hay transferencia ni se comparten electrones por lo que dichos enlaces son más débiles que los primarios.

EN LOS ENLACES SECUNDARIOS TENEMOS:

Hay tres formas de enlaces secundarios que son:

FUERZAS DIPOLARES:

Se presentan en una molécula formada Por dos atomos con cargas eléctricas Iguales y opuestas Las moléculas polares contiguas se alinean de tal forma que el extremo negativo de uno de los dipolos este lo más próximo posible al extremos positivo del otro. De esta manera hay una atracción electroestática entre moléculas.

FUERZAS DE LONDON:

Involucran fuerzas de atracción entre moléculas no polares es decir, los atomos en la molécula no forman dipolos en el mismo sentido que las fuerza anterior. Sin embargo, debido al rápido movimiento de los electrones en la órbita alrededor de la molécula, cuando ocurre que más electrones quedan en un lado de la molécula que en el otro se forman dipolos temporales. Esos dipolos instantáneos proporcionan una fuerza de atracción entre las moléculas del material

ENLACE DE HIDROGENO: sucede en moléculas que contiene atomos de hidrogeno enlazados en forma covalente e con otro átomo (el oxigeno), debido a que los electrones que necesitan completar la capa del átomo de hidrogeno se alinee en un lado de su núcleo, el lado opuesto tiene carga positiva que atrae a los electrones de los atomos de las moléculas vecinas.

ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Los atomos y las moléculas son los bloques de construcción de la mayoría de la estructuras de la materia. Cuando los materiales se solidifican a partir de un estado fundido, tienden a quedar cerca y a empacarse de forma muy comprimida, en muchos casos se arreglan por sí mismos en una estructura muy ordenada y en otros no tantos.

Existen dos estructuras materiales fundamentales:

CRISTALINAS: una estructura cristalina es aquella en la que los atomos se localizan en posiciones regulares y recurrentes en tres dimensiones donde el patrón puede repetirse millones de veces dentro de un cristal.

TIPOS DE ESTRUCTURAS CRISTLINAS: En los metales son comunes tres tipos de estructura de red.

Cubica centrada en el cuerpo cubica centrada en las caras

HEXAGONAL DE EMPAQUETAMIENTO COMPACTO

IMPERFECIONES EN CRISTALES

Hasta este momento se han estudiado las estructuras cristalinas como si fueran perfectas en ocasiones para satisfacer propósitos estéticos o de ingeniería se prefiere un cristal perfecto. Sin embargo, hay varias razones por la que una estructura de red cristalina puede no ser perfecta. Es frecuente que surja imperfecciones de manera natural debido a la incapacidad del material que se solidifica para continuar sin interrupción la repetición de la celda unitaria.

Existen dos tipos de defectos o imperfecciones en las estructuras cristalinas.

DEFECTOS PUNTUALES: involucran ya sea un solo átomo o varios de ellos entre los cuales encontramos:

La vacancia: falta de un átomo dentro de la estructura de red.

Defecto schottky: un par faltante de carga opuesta.

Intersticio: distorsión de la red producida por la presencia de un átomo adicional estructura.

Defecto frenkel: ocurre cuando un ion se retira de una posición y se inserta en una posición intersticial cuya ocupación no es normal por parte de dicho ion.

DEFECTO LINEAL: es un grupo conectado de defectos puntuales que forman una línea en la estructura de red. El defecto lineal mas importe es la dislocación que adopta dos formas:

Dislocación de borde: es la arista de un plano adicional que existe en la red.

Dislocación de tornillo: Es un espiral dentro de la estructura de red.

Ambas tipos de dislocaciones surgen en l estructuras cristalina durante la solidificación, estas son útiles para explicar ciertos aspectos de comportamiento mecánico de los metales.

DEFECTOS SUPERFICIALES: son imperfecciones que se extienden en dos direcciones para formar una frontera.

DEFORMACION EN CRISTALES METALICOS

Cuando un cristal se somete a fuerzas mecánicas que se incrementan en forma gradual, su respuesta s deformarse de modo elástico. Esto se parece a un alargamiento de estructura de red sin que haya cambios en la posición de los atomos. Si se elimina la fuerza, la estructura de red regresa a su forma original. Si el esfuerzo alcanza un valor alto en relación con las fuerzas electrostáticas que mantiene a los atomos en su lugar ocurre un cambio permanente denominado deformación plástica donde los atomos se han movido de forma permanente y se ha establecido un equilibrio nuevo en la red.

Uno de los mecanismos con lo que puede ocurrir la deformación plástica es el deslizamiento el cual implica un movimiento relativo de los atomos en los lados opuestos de un plano de red, el numero de estas direcciones de deslizamiento dependen del tipo de red.

Las dislocaciones tienen un papel importante para facilitar el deslizamiento en los metales. Cuando una estructura de red que contiene una dislocación de borde se sujeta de una fuerza cortante el material se deforma con mucha más facilidad que si se tratara de una estructura perfecta.

Las dislocaciones representan una situación benéfica y perjudicial. Debido a ellas el metal es más dúctil y alcanza con más facilidad la deformación plástica durante su manufactura.

El maclado es la otra forma en que los cristales metálicos se deforman plásticamente, este se define como el mecanismo de deformación plástica en el que los atomos en un lado del plano cambian para formar un imagen de espejo en el otro lado del plano.

GRANOS Y LÍMITES DE GRANOS

TAMAÑO DE GRANO:

El grano cristalino hace referencia a la estructura cristalina de los materiales Los cristales se forman como consecuencia del proceso de enfriamiento de la masa líquida de los metales. Este proceso se puede dividir en dos etapas: una primera etapa sería la de enucleación y la segunda, la etapa de cristalización

La primera etapa comienza con la aparición de un primer núcleo que actúa como creador del cristal durante el proceso de cristalización. Es necesario que presente un número determinado de átomos (25-100), la cifra varía en función de la temperatura ya que a altas temperaturas se necesitan más átomos para consolidar el núcleo, al cual se van añadiendo nuevos átomos y así se produce el crecimiento progresivo. Cada núcleo suele tener una orientación de crecimiento aleatoria

En la segunda etapa, la de cristalización, al ir disminuyéndose progresivamente la temperatura la cristalización avanza paulatinamente aumentando el tamaño de grano, más aumentará el tamaño cuanto más lento sea este enfriamiento. Esta etapa viene caracterizada por la velocidad de crecimiento que representa el aumento de peso del cristal por unidad de tiempo. Mientras exista fase líquida pueden producirse fenómenos de desplazamiento de los cristales es decir, si los cristales son menos densos que la fase líquida flotarán y habrá mayor número de ellos en la superficie mientras que si la densidad de los cristales es mayor que la de la fase líquida los cristales se hundirán y habrá por tanto mayor número de ellos en el fondo.

CLASIFICACIÓN DE LOS TAMAÑOS DE GRANO.

Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio.

LIMITES DE GRANO

Se puede definir como la superficie que separa los granos individuales de diferentesOrientaciones cristalográficas en materiales poli cristalinas.El límite de grano es una zona estrecha en la cual los átomos no están uniformementeSeparados, o sea que hay átomos que están muy juntos causando una compresión, mientras que otros están separados causando tensión.

ESTRUCTURAS NO CRISTALINAS O AMORFAS.

Las estructuras no cristalinas o amorfas consisten en partículas acomodadas en forma irregular y por esto no tienen el orden que se encuentra en los cristales (ejemplos de estas son el vidrio y muchos plásticos).las estructuras no cristalinas difieren de las cristalinas por la manera en que se funden: si controlamos la temperatura de una estructura cristalina cuando se está fundiendo, encontraremos que permanece constante. Las estructuras cristalinas o amorfas se suavizan y funden en un cierto rango de temperatura; es decir, no tienen un punto de fusión característico. La mayoría de las estructuras cristalinas son duras y rígidas y se caracterizan por tener altos grados de fusión y ebullición (debido a que es necesario entregar mucha energía para romper las uniones covalentes que forman la red cristalina),las estructuras, cristalinas al igual que los líquidos y gases, son isotrópicos, es decir sus propiedades son iguales en todas las direcciones. Esto se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de sus partículas, lo cual determina que todas las direcciones sean equivalentes. La característica más notoria de estos materiales es la ausencia de orden de largo alcance, lo cual significa que, al contrario de lo que ocurre en un cristal, el conocimiento de las posiciones atómicas de una región no nos permite predecir cuales serán las posiciones atómicas en otra región más o menos distante.

LOS MATERIALES DE INGENIERIA.

Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad, se trata de metales, plásticos, vidrios y fibras. Una de las grandes revoluciones de esta ciencia fue el descubrimiento de las diferentes fases térmicas de los metales.

Metales: en estado sólido los metales tienen estructuras cristalinas casi sin excepción las celdas unitarias de dichas estructuras siempre son BCC,FCC,HCP.los atomos de los metales se mantienen unidos mediante un enlace metálico lo que significa que sus electrones de valencia pueden moverse con libertad relativa, son buenos conductores térmicos y eléctricos tienen la propiedad de la opacidad y la reflectividad.

Cerámicos: Se caracterizan por tener enlaces Iónicos, Covalentes o ambos. Las propiedades generales que resultan de estos mecanismos de enlace incluyen: dureza y rigidez elevadas aun a altas temperaturas, fragilidad, aislantes, refractarios y químicamente inertes. Los cerámicos posen estructuras ya sean cristalinas o no cristalinas, y en el mismo material puede existir cualquier estructura.

Polímeros: Una molécula de polímeros se mantienen unidas por enlaces covalentes. Un enlace secundario (de-van-der-waals) mantiene a las moléculas juntas dentro del material agregado. Existen tres clases de polímeros.

Polímeros termoplásticos: Las moléculas consisten en cadenas largas con estructuras lineales. Estas estructuras pueden calentarse y enfriarse sin que se altere su estructura lineal.

Polímeros termoestables: Las moléculas se trasforman en una estructura rígida y tridimensional al enfriarse a partir de su condición de plástico caliente.

Los elastómeros: Tienen moléculas grandes con estructuras engarzadas al estirar y volver a engarzar las moléculas cuando se someten a fuerzas cíclicas se motiva a que el material agregado manifieste su comportamiento elástico característico.

Los polímeros se caracterizan por su baja conductividad térmica, baja densidad y resistividad eléctrica elevada.la resistencia y la rigidez de los polímeros varia mientras que otros muestran un comportamiento muy elástico.

CONCLUSION

Al realizar esta experiencia aprendimos la importancia que tiene la naturaleza de los materiales en el campo de la manufactura, además de esto pudimos comprender la estructura atómica de los materiales, sus tipos de enlaces y su comportamiento ante condiciones normales y extremas.

También pudimos comprendimos acerca de la estructura cristalina de los materiales y sus estructuras amorfas además de los diferentes tipos de materiales de ingenieria.

Es de vital importancia para nosotros los ingenieros el comprender el comportamiento de los materiales y su importancia en el área de la manufactura.