estructura y movimiento de los atomos imprimir de marcos

8/3/2019 Estructura y Movimiento de Los Atomos Imprimir de MARCOS

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INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE POZA RICA

ALUMNO: CRUZ SANTIAGO MARCOS CESARIO

DOCENTE: ING. LUCAS ADOLFO GARCA GARCA

TEMA: 1 ESTRUCTURA, ARREGLOS Y MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS

1.1 Importancia y clasificacin de los materiales en ingeniera

1.2 Arreglos atmicos

1.3 Defectos e imperfecciones

1.4 Movimiento de tomo (difusin)

SEMESTRE Y GRUPO: 2 A

INGENIERIA MECATRONICA


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1.1 Importancia y clasificacin de los materiales en ingeniera

Desde el comienzo de la civilizacin, Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad deBronce, Edad del Hierro, etc., los materiales junto con la energa han sidoutilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida.

Las primeras civilizaciones tuvieron una disponibilidad bastante ms reducida dediferentes materiales que las civilizaciones ms tecnificadas. Inicialmente slo sedispona de materiales naturales o semi-naturales como piedras, madera, arcilla,pieles, etc. Los metales no-preciosos raramente se encuentran en la naturaleza,sino que estn en formas de minerales y se requiere un proceso de separacin delmetal puro a partir del mineral correspondiente. La edad de bronce, a la cualalgunos se refieren como "edad de los metales" se refiere al uso de metales yaleaciones, cuya importancia radica en que la obtencin de ellos requiere de laadquisicin de tecnologas metalrgicas complejas. El bronce es la ms famosa delas aleaciones a las que se refiere la historia para referirse a la aparicin deculturas clsicas y el acero para la era de la revolucin industrial.

Probablemente, la importancia de los materiales en nuestra cultura es mayor de loque habitualmente se cree. Prcticamente cada segmento de nuestra vidacotidiana est influido en mayor o menor grado por los materiales, como porejemplo transporte, vivienda, vestimenta, comunicacin, recreacin y alimentacin.Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con caractersticasmuy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y complejasociedad; se trata de metales, plsticos, vidrios y fibras.

Clasificacin de Materiales

Los tres principales tipos de materiales son los materiales metlicos, los cermicosy los polimricos. Otros dos tipos de materiales tambin importantes en lamoderna tecnologa de ingeniera son los materiales compuestos y los materialeselectrnicos. La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en funcin desus propiedades y su estructura atmica. La clasificacin es la siguiente:

Materiales metlicos. Materiales cermicos.

Materiales polimricos.

Materiales compuestos.

Materiales electrnicos.


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Materiales Metlicos

Estos materiales son sustancias inorgnicas que estn formadas por uno o mselementos metlicos y pueden contener tambin algunos elementos no metlicos.Los metales tienen una estructura cristalina en la que los tomos estn dispuestos

de una manera ordenada. Los metales son en general buenos conductorestrmicos y elctricos. Muchos metales tienen relativamente alta resistenciamecnica y son dctiles a temperatura ambiente, y algunos tienen elevadaresistencia incluso a altas temperaturas. Los metales y aleaciones se dividennormalmente en dos grupos: metales y aleaciones ferrosas que contienen un granporcentaje de hierro tales como aceros y hierros fundidos, y aleaciones y metalesno ferrosos, que no contienen hierro o contienen cantidades relativamentepequeas de hierro. Ejemplo: hierro, acero, aluminio y cobre.

Materiales Cermicos

Son materiales inorgnicos formados por elementos metlicos y no metlicosunidos qumicamente. Los materiales cermicos pueden ser cristalinos, amorfos omezclas de ellos. La mayor parte de los cermicos tienen alta dureza y resistenaltas temperaturas pero tienden a tener fragilidad mecnica. ltimamente se handesarrollado nuevos materiales cermicos para aplicaciones de ingeniera. Lasventajas de este tipo de material son su bajo peso, su alta resistencia y dureza, subuena resistencia al calor y a la humedad, su reducida friccin, y propiedadesaislantes. Las propiedades aislantes junto con la elevada resistencia al calor y a lahumedad de muchos materiales cermicos los hacen tiles para recubrimientos de

hornos de fundicin de metales como el acero. Un espacio de aplicacinimportante para materiales cermicos son los enlosados cermicos para vehculosespaciales. Estos materiales cermicos protegen trmicamente la estructurainterna del aluminio de los vehculos espaciales durante el ascenso de salida y enla entrada a la atmosfera. Ejemplo: productos de arcilla, vidrios, y oxido dealuminio puro una vez compactado y densificado.

Materiales Polimricos

La mayora de los materiales polimricos estn formados por largas cadenas demolculas orgnicas (conteniendo carbono) o redes. Estructuralmente, la mayorade los materiales polimricos son no cristalinos pero algunos contienen mezclasde regiones cristalinas y amorfas. La resistencia y ductilidad de los materialespolimricos vara mucho. Debido a la naturaleza de su estructura interna lamayora de los materiales polimricos son malos conductores de la electricidad.

Algunos de estos materiales son buenos aislantes, por lo que se utilizan enaplicaciones como aislantes elctricos. Ejemplo: polietileno y cloruro de polivinilo.


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Materiales Compuestos

Estos son mezclas de dos o ms materiales. La mayor parte de los materialescompuestos consisten en un relleno escogido o material de refuerzo y una resinacompatible de unin para obtener unas caractersticas especficas y propiedades

deseadas. Normalmente los componentes no se disuelven uno en otro y puedenser fsicamente identificados por una interface entre ellos. Existen muchos tipos demateriales compuestos; algunos de los tipos predominantes de los materialescompuestos son fibrosos, los cuales estn constituidos por fibras en una matriz yarticulados, constituidos por partculas en una matriz. Dos excelentes tipos demodernos materiales compuestos usados en aplicaciones de ingeniera son losformados por fibras de carbono en una matriz epoxdica. Un ejemplo de materialescompuestos utilizados es sulfuro de poli fenilo reforzado con vidrio para pozospetrolferos. Estas aplicaciones requieren materiales como estos, con excelenteresistencia a la corrosin. Ejemplo: los formados por una matriz de polister o

resina epoxi reforzada con fibra de vidrio.

Materiales Electrnicos

Estos no son un tipo numeroso de materiales pero son extremadamenteimportantes en tecnologas de ingeniera avanzada. El material electrnico msimportante es silicio puro modificado por diversos caminos para cambiar suscaractersticas elctricas. Una gran cantidad de circuitos electrnicos complejospueden ser miniaturizados sobre un chip de silicio de aproximadamente 0,635 cm.Dispositivos electrnicos han hecho posibles nuevos productos como satlites decomunicacin, ordenadores avanzados, relojes digitales y robots para soldaduras.Ejemplo: silicio y arseniuro de galio.

1.4 Arreglos atmicos

Tambin es importante comprender la estructura atmica y la forma en que losenlaces

Atmicos producen distintos arreglos atmicos o inicos en los materiales. Laestructura

Atmica incluye todos los tomos y sus arreglos, que constituyen los bloquesestructurales


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De la materia. A partir de estos bloques estructurales emergen todos los nano,micro y macro niveles de estructura cristalina. Las perspectivas obtenidas alcomprender la estructura atmica y las configuraciones de enlace de los tomos ymolculas son esenciales para una buena seleccin de materiales de ingeniera,as como para desarrollar nuevos materiales avanzados.

Estructura cristalina

Los diversos tomos que forman el material se agrupan entre s al solidificar.Dependiendo

De la forma o patrn cmo se agrupen los tomos se pueden clasificar los slidoscomo:

Materiales cristalinos si los tomos se agrupan siguiendo patrones deordenamiento

Definidos. A los conjuntos de tomos ordenados de manera regular y definida seles llama

Cristales. A un material cuyos tomos forman cristales se le llama materialcristalino.

Materiales amorfos si los tomos se agrupan sin seguir ningn patrn deordenamiento. Los tomos se disponen al azar. Materiales semicristalinos elmaterial posee zonas cristalinas y zonas amorfas. Un examen detenido del arregloatmico permite distinguir entre materiales que son amorfos (que carecen de unorden de largo alcance de los tomos o iones) o cristalinos (los que tienen arreglosgeomtricos peridicos de tomos o iones). Los materiales amorfos slo tienenarreglos atmicos de corto alcance, mientras que los materiales cristalinos tienenarreglos de corto y largo alcance.

Las propiedades que posea un material dependen en general de su estructura.Por ejemplo el mdulo de elasticidad de un material depende de la forma como secomporta el enlace qumico que une a sus tomos (estructura atmica). Ciertas

propiedades magnticas de los materiales dependen de la estructura cristalina.Por ejemplo, el hierro con cierta estructura cristalina es capaz de ser atrado porun imn (propiedad conocida como magnetismo); ese mismo hierro (los mismostomos) con una estructura cristalina diferente (algunos materiales puedencristalizar en diferentes tipos de redes, dependiendo de las condiciones, lo cual seconoce como polimorfismo) no puede ser atrado por un imn (no poseemagnetismo). Las propiedades mecnicas dependen directamente de la micro


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estructura que presente el material. La Ciencia de Materiales estudia el vnculoentre la estructura (en todos sus niveles) y las propiedades.

Estructura cristalina del hielo.

Los arreglos atmicos se clasifican en 4 clases segn su alcance:

Carentes de orden.

Orden de corto alcance.

Orden de largo alcance.

Cristalinos lquidos.

Carentes de orden

Aquellos que no tienen arreglos acomodados o no se encuentran unidos entre s.

Orden de corto alcance

Solo hay unin de dos o 3 molculas, la mayora de los plsticos.

Orden de largo alcance

Estructuras ordenadas.

Cristalinos lquidos

Son los lquidos en el que sus molculas no han sido alteradas.


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1.3 Defectos e imperfecciones

Nada en nuestro mundo no es tan perfecto, no existe un material real en ingeniera

que no tenga por lo menos unos pocos defectos estructurales, incluso en laperfeccin cristalina estos defectos estructurales estn presentes, algunos enmayor cantidad que otros.

Los defectos primordiales en los materiales de ingeniera son: la imperfeccinqumica, defectos puntuales, defectos lineales y defectos planeares.

Imperfeccin qumica.

No existe un material solido que sea preparado sin contener contaminacin, esdecir ningn material puede ser preparado sin tener algn grado de impurezas, los

tomos o iones que componen a las impurezas alteran la regularidad estructuraldel material puro ideal. La contaminacin normal de una sustancia solida (como elcaso de un cristal) con impurezas se le conoce como imperfeccin qumica.

Defectos puntuales. (Imperfeccin cero-dimensional)

Son defectos que se presentan estructuralmente a nivel atmico en sistemascristalinos reales. Existen dos tipos de defectos puntuales: vacante e intersticial.

La vacante es un sitio desocupado por tomo dentro de la estructura del cristal.

El intersticial es un tomo extra insertado en la estructura ideal del cristal haciendoque dos tomos ocupen un lugar cercano al de uno solo en la estructura perfectadel cristal. Los defectos puntuales ocurren ocurren como resultado de la vibracintrmica de toda la estructura atmica del cristal. Al aumentar la temperaturaaumenta la intensidad de esta vibracion y se incrementa la probabilidad dedesorganizacin estructural.

Defectos Lineales o dislocaciones (imperfeccin unidimimencional).

La red cristalina se distorsiona alrededor de una lnea. Las imperfeccionesunidimensionales estn asociadas con deformaciones mecnicas. El defecto linealgeneralmente es designado con una T invertida. Las dislocaciones pueden serde tipo helicoidal (de tornillo) o de borde, as como combinaciones mixtas deambas. Se cuantifican por medio del vector de burgers b que indica la presenciade una dislocacin en el cristal.

Dislocacin de Borde:


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Se genera por la insercin de un semiplano adicional de tomos. La distancia dedesplazamiento de los tomos alrededor de una dislocacin se denomina vector bde deslizamiento o de Burgers y es perpendicular a la lnea de dislocacin.

Dislocacin de tornillo:

Se genera en un plano que se somete a un esfuerzo de corte. Se provoca undesplazamiento que genera una superficie de un plano en forma de espiralsemejante al movimiento de un tornillo.

Dato:

Las dislocaciones en algunos materiales hacen que el material se ablande ymientras ms se vaya usando el material se hace ms blando.

Defectos planeares:

Tambin se les conoce como bordes de grano. Son imperfecciones en lasuperficie que separan los granos (cristales) de diferentes orientaciones enmateriales poli cristalinos. Es una regin de tomos mal distribuidos entre granosadyacentes.

En los metales los lmites de grano se crean durante la solidificacin cuando loscristales formados a partir de diferentes ncleos crecen simultneamente y seencuentran unos con otros.

El borde de grano es una regin estrecha. El empaquetamiento atmico de los

bordes de grano es algo menor que dentro de los granos.

1.4 Movimiento de tomo (difusin)

Es el movimiento de los tomos, iones o molculas, dentro de un material. Estosse mueven de manera predecible, tratando de eliminar diferencias deconcentracin y producir una composicin homognea y uniforme.

Observar la evolucin de una gota de tinta en un vaso de agua, o de un cristal dealguna sustancia coloreada en el solvente adecuado, los olores que llegan anosotros, son experiencias diarias de fenmenos de difusin en gases y lquidos,estados en los que por su misma situacin de movilidad, los tomos difunden conrapidez. Sin embargo este fenmeno es una tendencia general en la naturaleza, y


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aunque ms lento, es igualmente observable en slidos, tendiendo ahomogeneizar las imperfecciones.

Se han definido como slidos a aquellos materiales cuyos tomos, iones omolculas estn ordenados en una forma fija y regular de mnima energa,

llamada red cristalina. An siendo regulares, las redes cristalinas naturales pocasveces son perfectas: la descripcin y el control de las imperfecciones existentes, yan la creacin de imperfecciones en una red cristalina perfecta, son un aspectoimportantsimo de la ingeniera de los materiales.

Las imperfecciones de la red pueden consistir en la ausencia de uno o mstomos en los puntos correspondientes de la misma (vacancias) en la aparicinde un tomo diferente (de mayor o menor radio) lo que provoca tensiones ydistorsiones en la red. Los tomos ms pequeos pueden acomodarse tambin enlos huecos dejados por los tomos de la red (sitios intersticiales) constituyendo

otro tipo de imperfeccin.

Y an los mismos, los tomos, iones o molculas ordenados en la red tienenenerga como para desplazarse de un punto a otro, intercambiando posiciones conotro tomo idntico, siguiendo las tendencias homogeneizantes antesmencionadas. Puesto que no todos los tomos tienen la misma energa, se podraplicar un criterio estadstico.

La probabilidad de intercambiar posiciones depende de la temperatura segn laecuacin de Arrhenius

Tasa de movimiento = C0 e-Q/RT

Donde C0 es una constante, Q es la energa de activacin (en cal/mol), R laconstante de los gases (en cal/mol K) y T la temperatura absoluta.

Se basa en un criterio estadstico sobre la probabilidad de que n tomos/segundotengan una energa adicional Q como para poder desplazarse de uno a otro sitiode la red.

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