Propiedades de los materiales

¿ Por qué los distintos materiales tienen diferentes propiedades ?

Las propiedades de un material están determinadas por:

• Su naturaleza química y física, es decir, del tamaño de la energía de

enlace entre sus átomos. Lo anterior, da origen a las propiedades que

son independientes de la estructura del material.

• Su estructura interna, es decir, a nivel atómico, micro y

macroestructura. Las propiedades en este caso, son depediente de la

estructura del material.

Propiedades dependiente de la estructura

Tenacidad baja (cerámicos)

Tenacidad alta (metales)

Tenacidad baja (polímeros)

Las propiedades sensibles a la estructura, dependen de la microestructura.

Las propiedades mecánicas de un material son afectadas por el tipo de

enlace entre sus átomos, estructura atómica, microestructura y

trabajado mecánico.

Estas son:

• Límite de fluencia

• Ductilidad

• Limite de fatiga

•Tenacidad

Propiedades independiente de la estructura

• Las propiedades insensibles ala estructura, son propiedades que

dependen solo de la energía de enlace entre sus átomos. Y es por ello

que son insensibles al cambio de la microestructura del material.

• Estas propiedades que son insensibles a la estructura, presentan una

relación directa entre ellas.

• Una alta energía de enlace en un material, significa:

- Punto de fusión alto.

- Módulo de elasticidad alto (riguidez).

- Coeficiente de dilatación térmica bajo.

- Resistencia teórica alta.

Fuerza versus energía potencial entre átomos

Fuerza

Energía

potencial

Tm: Depende de la energía de enlace entre los átomos

Distancia atómica, r

Energía de enlace, E0

(energía de enlace)

Temperatura de fusión, Tm

(Baja, Tm)

(Alta, Tm)

Tm aumenta, si E0 aumenta.

(distancia atómica)

E: depende de la energía de enlace entre los átomos

Módulo de elasticidad, E

Ley de Hooke

Módulo de elasticidad

El módulo de elasticidad es proporcional al radio de curvatura de la curva de

energía potencial en r0, vale decir, la derivada en la curva de fuerza o la

segunda derivada en la curva de energía en r0.

(Módulo de elasticidad pequeño)

(Módulo de elasticidad grande)

(distancia atómica sin carga)

E aumenta, si E0 aumenta.

α : Depende de la energía de enlace entre los átomos

Coeficiente de expansión térmica: α

COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA

La curva de potencial

es asimétrica. (α es mas grande)

(α es mas pequeño)

r

α aumenta, si E0 disminuye.

T5>T4….T2>T1

σteórico: Depende de la energía de enlace entre los

átomos

• El módulo de elasticidad es proporcional al radio de

curvatura de la curva de potencial en r0.

• Esto entrega un valor aproximado de la resistencia teórica

del material, σteórico = E/15

(Distancia atómica)

Tipos de enlaces

• Enlaces primarios:

- enlace iónico

- enlace metálico

- enlace covalente

• Enlaces secundarios:

- enlaces de van der Waal

- enlaces de hidrogeno

Los enlaces primarios son mucho mas fuertes que los enlaces

secundarios.

La relación entre sus energías de enlace es aproximadamente entre 10-

100.

Tipos de enlaces en los materiales

• Enlace iónico, iones con distinta carga se unen entre ellos vía una

interacción electroestática, ejemplo las sales NaCl y KCl.

• Enlace covalente, los átomos comparten un par de electrones

formando así una molécula, ejemplo H2, SO2 y también la estructura

del diamante. Es un enlace direccional.

• Enlace metálico, los electrones de valencia se encuentran en

movimiento, ejemplo los metales.

• Enlaces de van de Waal, son enlaces débiles, enlaces entre moléculas,

ejemplo los materiales poliméricos.

Enlace iónico

• Se produce entre iones con carga positiva (+) y negativa (-)

• Exige que exista un traspaso de electrones

• Se requiere una gran diferencia en electronegatividad

• Ejemplo: NaCl

Na (metal)

“inestable”

Cl (no metal)

“inestable”

Na (catión)

“estable”

Cl (anión)

“estable”

electrón

Fuerza electrostática

Ejemplos de enlaces iónicos

Entrega electrones Toma electrones

Propiedades del enlace iónico

• No es dependiente de la la dirección.

• Enlaces fuertes con un valor alto de la energía de enlace.

• Materiales con este tipo de enlaces presentan:

- Temperatura de fusión ( Tm ) elevada.

- Elevada rigidez o módulo de elasticidad alto.

- Coeficiente de dilatación térmica bajo.

Enlace covalente

Electrón compartido del

átomo de hidrogeno

Electrón compartido del

átomo de carbono

Las electronegatividades son

comparables.

• Moléculas formadas por no metales

• Moléculas formadas por metal y no metales

• Exige que los electrones se compartan

• Ejemplo: CH4 (metano)

C: tiene valencia 4,

necesita 4 electrones.

H: tiene valencia 1,

necesita 1 electrón.

Ejemplos de enlaces covalentes

• Moléculas formadas por no metales (elementos en forma gaseosa)

• Moléculas formadas por metales y no metales

• Elementos sólidos (columna IVA en tabla periódica)

Propiedades de los enlaces covalentes

• Comúnmente se encuentran en los polímeros.

• Sus propiedades son dependiente de la dirección.

• Energía de enlace puede tener distintos valores:

- Baja ( Bi, Tm = 270°C )

- Alta ( C, Tm = 3550°C )

Enlace Metálico

Es debido a que todos los electrones de valencia forman una nube

de electrones que mantiene unidos los átomos ionizados.

Este tipo de enlace es el mas común para los metales y sus

aleaciones.

Propiedades del enlace metálico

• Característico para los metales y sus aleaciones.

• Las propiedades no son dependiente de la dirección.

• Energía de enlace puede tener distintos valores:

- baja ( Hg, Tm = -39°C )

- alta ( W, Tm = 3410°C )

Enlaces secundarios

Se producen a través de la interacción entre dipolos ( campos de carga)

Nube de electrones asimétrica Ej.: H2 líquido

Enlace secundario Enlace secundario

Enlace secundario

Enlace secundario

• Moléculas de dipolo permanente

- Caso normal

- ej.: HCl líquido

- ej.: polímeros Enlaces de van der Wall

• Dipolos fluctuantes

Resumen de los diferentes tipos de enlaces

Tipo de enlace Energía de enlace Comentarios

Iónico Grande No dependiente de la dirección

Covalente Variable Dependiente de la grande-diamante dirección

pequeño - V

Metálico Variable No dependiente de la grande – W dirección

pequeño – Hg

Secundario Débil Dependiente de la dirección (entre las moléculas - polímeros)

Resumen de las propiedades dependiente de la energía

de enlace

Cerámicos Energía de enlace grande.

Enlaces iónicos y covalentes Temperatura de fusión alta.

Módulo de elasticidad grande.

Coeficiente de dilatación bajo.

Metales Energía de enlace variable.

Enlaces metálicos Temperatura de fusión variable.

Módulo de elasticidad variable.

Coeficiente de dilatación variable.

Polímeros Propiedades dependiente de la dirección.

Enlaces covalentes y Domina la unión vía dipolos.

dipolos entres las cadenas Temperatura de fusión baja.

Módulo de elasticidad bajo.

Coeficiente de dilatación grande.