Principios fundamentales de la estructura cristalina de los materiales

Industriales. Enlaces sólidos. Fuerzas de Van der Waals. Planos cristalinos. Propiedades mecánicas

  • Enviado por: Gilberto Javier Garcia Rosas
  • Idioma: castellano
  • País: México México
  • 7 páginas
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Unidad 1

Principios fundamentales de la estructura cristalina de los materiales

El enlace químico entre átomos tiene lugar debido a la disminución neta de la energía potencial de los átomos en estado enlazado .Esto significa que los átomos en estado enlazado se encuentran en unas condiciones energéticas mas estables que cuando están libres.

Enlaces sólidos

Enlaces metálicos

En metales en estado sólido , los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina . Por ejemplo la disposición de los átomos de cobre en el cobre cristalino consiste que los átomos están tan juntos que sus electrones externos de valencia son atraídos por los núcleos de sus numeroso vecinos . En el caso del cobre sólido cada átomo está rodeado por otros 12 átomos más próximos . Los electrones de valencia no están por lo tanto asociados férreamente a un núcleo en particular y así es posible que se extiendan entre los átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o gas electrónico. Los átomos en un enlace metálico sólido se mantienen juntos por enlace metálico para lograr un estado de más baja energía ( o más estable) . Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares electrónicos como en el enlace covalente o sobre la neutralidad de carga como en el enlace iónico . En el enlace metálico los electrones de valencia más externos de los átomos son compartidos por muchos átomos circundantes y de este modo , en general , el enlace metálico no resulta direccional

Fuerzas de van der Waals

Excepto en un gas muy dispersado las moléculas ejercen atracciones y repulsiones entre sí . Estas proceden fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo . Las moléculas no polares se atraen entre sí mediante interacciones débiles dipolo-dipolo llamadas fuerzas de London que surgen como consecuencia de dipolos inducidos en una molécula por otra. En este caso los electrones de una molecula son debilmente atraídos hacia el nucleo de otra pero entonces los electrones de esta son repelidos por los electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y , en consecuencia , un dipolo incluido . Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de van der Waals . La distancia entre las moléculas juega un importante papel en la intensidad de dichas fuerzas . Se llama radio de van der Waals a la distancia a la que la fuerza atractiva es máxima .Cuando dos átomos se aproxima a distancias mas cortas que el radio de van der Waals , se desarrollan fuerzas repulsivas entre los núcleos y las capas electrónicas . Cuando la distancia entre dos moléculas es mayor al radio de van der Waals las fuerzas atractivas entre las moléculas disminuyen.

Enlace iónico

Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muy electronegativos (no metales) . En el proceso de ionización los electrones son transferidos desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos , produciendo cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente . Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de atracción electrostática o culombiana entre iones con carga opuesta . Los enlaces ionicos se forman entre iones opuestamente cargados por que se produce una disminución neta de la energía potencial para los iones enlazados

Enlace covalente

Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace covalente . Mientras el enlace iónico involucra átomos muy electropositivos y electronegativos , el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica . En el enlace covalnete los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p como otros átomos , de modo que cada átomo alcanza la configuración de gas noble. En un enlace covalente sencillo cada uno de los átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones de enlace , y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (mas estables) como consecuencia de la interacción de los electrones . En el enlace covalente , se pueden formar enlaces mútiples de pares de eletrones por un átomo consigo mismo o con otros átomos.

Estructuras cristalinas

Sistemas cristalográficos

Los cristalógrafos han demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales . La mayor parte de etos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unida básica . A. J. Bravais mostró que catorce celdas unidad estándar podian describir todas las estructuras reticulares posibles .Hay cuatro tipos de celdas unidad :

  • Sencilla

  • Centrada en el cuerpo

  • Centrada en las caras

  • Centrada en la base

En el sistema cúbico hay tres tipos de celdas unidad : cúbica sencilla , cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el sistema ortorrómbico están representados los cuatro tipos . En el sistema tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. En el sistema monoclínico tiene celdas unidad sencilla y centrada en la base , y los sistemas romboedríco hexagonal y triclínico, tienen solo una celda unidad .

Estructuras cristalográficas

La mayoría de los metales elementales alrededor del 90 % cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente enpaquetadas : cúbica centrada en el cuerpo (BCC) , cúbica centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta (HCP) . La estructura HCP es una modificación más densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla . La mayor parte de los metales cristalizadas en esas estructuras densamente enpaquetadas debido a que se libera energía a medida que los átomos se apróximan y se enlazan cada vez más estrechamente entre sí . De este modo , dichas estructuras densamente enpaquetadas se encuentran es disposiciones u ordenamientos de energía cada vez más baja y estable . Examinemos ahora detalladamente la disposición de los átomos en las celdas unidad de las tres principales estructuras cristalinas . Aunque solo sea una aproximación consideremos a los átomos de estas estructuras como esferas rígidas. La distancia entre los átomos en las estructuras cristalinas puede ser determinado experimentalmente por análisis de rayos X. Por ejemplo , la distancia interatómica entre dos átomos de aluminio en un fragmento de aluminio puro a 20 0 C es 0.2862 nm.

Se considera que el radio del aluminio en el aluminio metal es la mitad de la distancia interatómica , o 0.143 nm.

Alotropía

Muchos elementos y compuestos existen en mas 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 , titanium y cobalto experimentan transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas a presión atmosférica . El hierro existe en ambas estructuras cristalinas BCC y FCC sobre un rango de temperatura que va desde la temperatura ambiente hasta su punto de fusión a 1539 grados centígrados . El hierro alfa existe desde -273 a 912 0 C y tiene la estructura cristalina BCC . El hierro gama existe desde 912 hasta 1394 0 C y tiene una estructura cristalina FCC .

El hierro delta existe desde 1394 hasta 1539 0 C , que es el punto de fusión del hierro. La estructura cristalina del hierro delta es también BCC pero con una constante de red mayor que la del hierro alfa.

Planos cristalinos

Dirección en la celda

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 indices de las direcciones cristalográficas son los componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo de cada eje coordenado y reducido a los enteros mas pequeños .
Para indicar en un diagrama la dirección en una celda cúbica unitaria dibujamos un vector de dirección desde el origen (que es normalmente una esquina de la celda cúbica) hasta que sale la superficie del cubo .Las coordenadas de posición de la celda unidad donde el vector de posición sale de la superficie del cubo despues de ser convertidas a enteros son los indices de dirección .Los indices de dirección se encierran entre corchetes sin separación por comas.

Planos en una celda unitaria

Las superficise cristalinas en celdillas unidad HCP pueden ser identificadas comúnmente utilizando cuatro indices en lugar de tres. Los indices para los planos cristalinos HCP ,llamados indices Miller-Bravais, son designados por las letras h , k , i , l y encerrados entre parentesis ( hkil ) . estos indices hexagonales de 4indices estan basados en un sistema coordenado de 4 ejes .

Existen 3 ejes basicos , a1 , a2 , a3, que forman 1200 entre si. El cuarto eje o eje c es el eje vertical y esta localizado en el centro de la celdilla unidad . La unidad a de medida a lo largo de los ejes a1 a2 a3 es la distancia entre los átomos a lo largo de estos ejes .la unidad de medida a lo largo del eje es la altura de la celdilla unidad . Los recíprocos de las intersecciones que un plano cristalino determina con los ejes , a1 , a2 , a3 proporciona los indices h , k e i mientras el recíproco de la intersección con el eje c da el índice l

Notación para planos

Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes para esta celdilla unidad puesto que el plano basal de la celdilla HCP es pralelo a los ejes , a1 , a2 , a3 las intersecciones de este plano con estos ejes serán todas de valor infinito . Así , a1 = " ,

a2 = " a3 = " El eje c , sin embargo , es unico puesto que el plano basal superior intersecciona con el eje c a una distancia unidad . Tomando los reciprocos de estas intersecciones tenemos los indices de Miller-Bravais para el plano Basal HCP. Así , H =0 K=0 I = 0 y L=1. El plano basal es , por tanto un plano cero-cero-cero-uno o plano (0001) .

Importancia del indice de Milller

A veces es necesario referirnos a 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 planos cristalinops es estructuras cristalinas cúbicas se usa la notación de Miller . Los indices de Miller de un plano cristalino estan definidos como los reciprocos 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 presentan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos de una red se miden en base a estas longitudes unitarias .El procedimiento de determinación de los indices de Miller para un plano de un cristal cúbico es el siguiente:

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

  • Determinar las interacciones del plano en base a los ejes x,y,z cristalográficos para un cubo unitario , estas interacciones pueden ser fraccionarias

  • Construir los recíprocos de estas intersecciones

  • Despejar fracciones y determinar el conjunto mas pequeño de números esteros que estén en la misma razón que las intersecciones. Esos 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 índices de Miller en sentido general , donde h ,k, y l son los indices de Miller para un plano de un cristal cúbico de ejes x,y,z respectivamente.

Unidad 2

Propiedades generales de los Materiales.

Propiedades físicas

Color

Impresión que produce en la vista la luz y que varía según su naturaleza propia y el modo como es difundida o reflejada por los cuerpos. Color de recocido o revenido , color que cobra un acero despues de haber sido templado y recocido y que depende de la temperatura alcanzada en esta última operación. En resumen se puede decir que el color no es otra cosa sino la percepción de la luz reflejada por los objetos.

Brillo

Brillo : Lustre o resplandor . Cociente de la intensidad luminosa de una superficie - en una dirección dada - por el area proyectada de dicha superficie sobre un plano perpendicular a la referida dirección .La unidad de brillo es la candela por cm2

Densidad.

Es frecuente confundir las nociones de masa especifica y densidad , por que en las aplicaciones de la vida corriente ambas tienen sensiblemente el mismo valor . Así , la masa específica del hierro es 7.8 g/cm3 . Para obtener su densidad se ha de dividir esta masa por la masa de un cm3 de agua a 40 y , por ser esta muy próxima de un gramo , se obtiene finalmente como densidad el hierro, el mismo valor práctico que para su masa , o sea 7.8.

Propiedades mecánicas

Ductilidad

Propiedad de los metales y aleaciones que puedan ser aplastados y estirados fácilmente sin que se rompan en otras palabras permiten el alargamiento permanente mediante tracción y una deformación en frío que hasta cierto punto , se opone uteriormente a otras deformaciones accidentales de las piezas

Elasticidad

Propiedad que tienen los cuerpos deformados por una fuerza exterior de recobrar su forma primitiva cuando cesa de obrar una fuerza aplicada sobre ellos. La elasticidad es muy diferente de un cuerpo a otro . Para cada sólido existe un límite de elasticidad a partir del cuál por ser excesiva la fuerza que le ha sido aplicada la deformación persiste total o parcialmente .Es conocida como la relación existente entre la magnitud de las fuerzas externas que provocan el alargamiento elástico de un sólido y el valor que alcanza dicho alargamiento .En los cálculos de resistencia de materiales siempre se tiene en cuenta dicho modulo para que en ningún caso puedan alcanzar las piezas el límite de elasticidad que provocaría la deformación o la ruptura de las construcciones

Maleabilidad

Se dice que un metal es maleable debido a que puede ser reducido a capas muy delgadas batiendolo con martilllo o laminandolo dicho de otra forma que se puede moldear con facilidad .La maleabilidad es , junto con la ductilidad una de las características que determinan la aptitud de un metal a ser labrado por deformación ( el mas maleable de todos los metales es el oro que puede ser reducido en hojas de hasta una diezmilésima de milímetro de espesor .La maleabilidad aumenta con la temperatura , y así , el cinc , que es poco maleable a la temperatura ambiente lo es bastante a 100 grados. Es importante en metalúrgia saber a que temperatura puede laminarse , forjarse o batirse un metal para aprovechar la mejor maleabilidad sin que , no obstante , pueda deteriorar el calor

Plasticidad

Es lo opuesto a la elasticidad , de los cuerpos que al adquirir determinada forma por efecto de una fuerza ejercida sobre ellos , la conservan indefinidamente cuando esta deja de actuar

Tenacidad

Propiedad de los cuerpos que resisten a los esfuerzos de tracción deformandose y estirandose antes de romperse .La tenacidad de un metal se determina considerando los siguientes factores: límite de elasticidad , carga de ruptura , alargamiento y estricción.

Resistencia

Fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo . Se dice que la resistencia de los materiales ; parte de la mecánica que tiene por objeto determinar , entre otras cosas , las dimensiones que ha de tener las distintas piezas de una construcción para que pueda llenar su cometido y soportar los esfuerzos a que se han de hallar sometidas sin romperse ni adquirir deformaciones permanentes perjudiciales.

Frágilidad

Propiedad de los metales que se rompen por efecto de un choque sin experimentar ninguna deformación previa . Nada tiene que ver con su resistencia , dado que esta concierne su aptitud a romperse por efecto de un esfuerzo y no de un choque .Por lo general los tratamientos mecánicos (laminado ) disminuyen la fragilidad del metal mientras que los tratamientos térmicos si bien lo endurecen también lo vuelven más quebradizo.

Dureza.

Calidad de los cuerpos duros de los materiales que no se rayan o dejan penetrar con facilidad . Existen no pocos métodos para determinar la dureza de lo cuerpos la escala de Mohs sirve para los minerales en metalurgia se ha generalizado en método de Brinell en el cual por medio de una prensa de aplicación contra la probeta una bola de acero durísima la cual penetra mas o menos profundamente en la pieza según sea la dureza de la misma y deja su superficie una oquedad de perfil esférico .Del diametro de la orilla se desprende con la ayuda de abanicos apropiados , la dureza del metal . En el método de Vicars , la bola de acero es reemplazada por un diamante de forma piramidal .