Propiedades de Los Materiales u2

Dr. Javier Zapiain Salinas | Propiedades de los materiales

UNIDAD II:ESTRUCTURA DE LOS

MATERIALES

Propiedades de los Materiales Unidad II: Estructura de los Materiales

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• Contenido • 2.1 Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades

• 2.2 Materiales puros

• 2.3 Aleaciones ferrosas y no ferrosos

• 2.4 Materiales orgánicos e inorgánicos

• 2.5 Materiales Cerámicos

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES


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2.1 ESTRUCTURA CRISTALINA Y SU CONSECUENCIA EN LAS PROPIEDADES

• El arreglo atómico juega un papel importante en la determinación de la microestructura y en el comportamiento de un material sólido.




• El arreglo atómico en el aluminio proporciona buena ductilidad, en tanto que en el hierro es la causa de una buena resistencia. Los transductores cerámicos capaces de detectar tumores en el cuerpo humano se basan en un arreglo atómico que produce un desplazamiento permanente de las cargas eléctricas dentro del material. Debido a distintos arreglos atómicos, se puede deformar fácilmente el polietileno, se puede estirar elásticamente el hule, y la epóxica resulta fuerte y quebradiza.




• Si no se consideran las imperfecciones que aparecen en los materiales, entonces existen tres niveles de arreglo atómico, Sin orden, Orden de corto alcance y Orden de largo alcance, Ejemplos:

a) Los gases inertes no tienen un orden regular en sus átomos.

b) Algunos materiales, incluyendo el vapor de agua y el vidrio, tienen orden en una distancia muy corta (atracciones electrostáticas).

c) Los metales y muchos otros sólidos tienen un orden regular de los átomos que se extiende por todo del material.




a) gases

b) Vapor de agua y vidrio




c) fierro (metal) y cloruro de sodio (cerámica)




• Sin orden. En gases como el argón, los átomos no tienen orden y llenan de manera aleatoria el espacio en el cual está confinado el gas.

• Orden de corto alcance. Un material muestra orden de corto alcance si el arreglo especial de los átomos se extiende sólo a los vecinos más cercanos de dicho átomo.

• Orden de largo alcance. El arreglo atómico especial se extiende por todo el material. Los átomos forman un patrón repetitivo, regular, en forma de rejilla o de red.




• La red es un conjunto de puntos, conocidos como puntos de red, que están organizados siguiendo un patrón periódico de forma que el entorno de cada punto en la red es idéntico. Uno o más átomos quedan asociados a cada punto de la red.

• La red difiere de un material a otro tanto en tamaño como en forma, dependiendo del tamaño de los átomos y del tipo de enlace entre ellos. La estructura cristalina de un material se refiere al tamaño, la forma y la organización atómica dentro de la red.




CELDAS UNITARIAS

• La celda unitaria es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red. En la figura se muestra una celda unitaria en una red. Al apilar celdas unitarias idénticas, se puede construir toda la red.




• Una red es un arreglo periódico de puntos que definen un espacio. La celda unitaria (contorno grueso) es una subdivisión de la red que sigue conservando las características de la red.




REDES CRISTALINAS• Se identifican 14 tipos de celdas unitarias o redes de Bravais

agrupadas en siete sistemas cristalinos. Los puntos de la red están localizados en las esquinas de las celdas unitarias y, en algunos casos, en cualquiera de las caras o en el centro de la celda unitaria. Existen cuatro tipos básicos de celdas unitarias: 1) sencilla, 2) centrada en el cuerpo, 3) centrada en las caras y 4) centrada en las bases.



b

a

c

ab

gNomenclatura de referencia para una celda unitaria




Sistema cristalino

Longitudes axiales y ángulos interaxiales Redes espaciales

Cúbico Tres ejes iguales en ángulos rectos.a = b = c (longitudes axiales) = = =a b g 90° (ángulos interaxiales)

Cubico sencillo (SC)Cúbico centrado en el cuerpo (BCC)Cúbico centrado en las caras (FCC)

Tetragonal Tres ejes en ángulos rectos, dos iguales.a = b ≠ c = = a b g = 90°

Tetragonal sencilloTetragonal centrado en el cuerpo

Ortorrómbico Tres ejes distintos en ángulos rectosa = b ≠ c = = = a b g 90°

Ortorrómbico simpleOrtorrómbico centrado en el cuerpoOrtorrómbico centrado en las basesOrtorrómbico centrado en las caras

Romboédrico Tres ejes iguales , inclinados por iguala = b = c = = a b g ≠ 90°

Romboédricos sencillos




Sistema cristalino

Longitudes axiales y ángulos interaxiales Redes espaciales

Hexagonal Dos ejes iguales a 120° y un tercero en ángulo rectoa = b ≠ c = a b = 90° y g = 120°

Hexagonal sencillo

Monoclínico Tres ejes distintos, dos de ellos no forman ángulo rectoa ≠ b ≠ c = a g = 90°≠ b

Monoclínico sencilloMonoclínico centrado en las bases

Triclínico Tres ejes distintos desiguales con distinta inclinación y ninguno en ángulo rectoa ≠ b ≠ c a ≠ b ≠ g ≠ 90°

Triclínico sencillo




Cúbica simple (SC)

Cúbica centrada en el cuerpo (BCC)




Cúbica centrada en las caras (FCC)



Tetragonal simple Tetragonal centrada en el cuerpo



Ortorrómbica simple Ortorrómbicacentrada en el cuerpo



Ortorrómbica centrada en las bases Ortorrómbica centrada en las caras



Romboédrica Hexagonal



Monoclínica simple Monoclínica centrada en las bases



Triclínica




2.2 MATERIALES PUROS (METALES)2.3 ALEACIONES FERROSAS Y NO FERROSOS




• La mayoría de los metales puros (aproximadamente 90%) cristalizan al solidificar en tres estructuras cristalinas compactas: cúbica centrada en el cuerpo (BBC), cúbica centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta (HCP). La estructura HCP es una modificación más densa de la estructura cristalina hexagonal simple.




• La mayoría de los metales cristalizan en estas estructuras empacadas densamente porque la energía disminuye a medida que los átomos se acercan y se enlazan entre sí. De este modo, las estructuras más compactas corresponden a ordenamientos de niveles energéticos menores y más estables.




PARÁMETROS DE LAS ESTRUCTURAS:

• Numero de coordinación. Se define como el numero de vecinos más próximos de un átomo en una celda.

• Numero de átomos por celda. Se determina según el tipo de celda considerando sólo el volumen de la esfera dentro de la celda.

• Factor de empaquetamiento atómico. Es la fracción de volumen en una celda unidad que esta ocupada por átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la unidad.




• Factor de empaquetamiento atómico. Para propósitos prácticos, el APF de una celda unidad es determinado asumiendo que los átomos son esferas rígidas.

• Para cristales de un componente el APF se representa matemáticamente por:



• En el blog de materia se encuentra un documento sobre los principales parámetros de la red para las distintas estructuras cristalinas BCC, FCC y HCP




ESTRUCTURA CRISTALINA CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO (BCC)

• En esta celda unitaria se observa que el átomo central está rodeado por ochos vecinos más próximos y se dice que tiene un número de coordinación de 8.

Cubica centrada en el cuerpo (BCC)N de coord = 8

12

43

658

7




• Si se aísla una sola celda unitaria como esfera sólida, se obtiene el modelo mostrado en la figura. Cada una de estas celdas tiene el equivalente a dos átomos por celda unitaria. Un átomo entero se encuentra en el centro de la celda unitaria y un octavo de esfera se encuentra en cada vértice de la celda, lo que equivale a otro átomo. Cubica centrada en el cuerpo (BCC)

N de átomos por celda = 2




• En la celda unitaria BCC los átomos de cada vértice entran en contacto entre sí a lo largo de la diagonal del cubo, como se muestra en la figura, de tal suerte que la relación entre la arista del cubo a y el radio atómico R es

a

4r

a2



Metales con BCC a 25 C

El Be, Ca Sr, Ti, Zr, Hf, Mn y Tl presentan cambios en su estructura dependiendo de la temperatura




EJEMPLO 1

• El hierro a 20°C es BCC con átomos con un radio atómico de 0.124 nm. Calcule la constante de red a para el vértice del cubo de la celda unitaria de hierro.




EJEMPLO 2

• Calcule el factor de empaquetamiento atómico (APF) para la celda unitaria BCC, considerando a los átomos como esferas rígidas.




ESTRUCTURA CRISTALINA CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS (FCC)

• Considérese ahora la representación mediante puntos de la celda unitaria FCC de la figura En esta celda unitaria hay un átomo en cada vértice del cubo y uno en el centro de cada cara. Cada átomo es vecino de 12 átomos más.




• La celda unitaria FCC tal como se muestra en la figura tiene un equivalente de cuatro átomos por celda unitaria. Los ocho octavos de los vértices cuentan como un átomo ( 8 × = 1), y los seis medios átomos que están sobre las caras del cubo contribuyen con otros tres átomos, que dan un total de cuatro átomos por celda unitaria.




• El modelo de esferas rígidas de la figura indica que los átomos de la estructura cristalina FCC están empacados tan juntos como es posible. El factor de empaquetamiento para esta estructura compacta es de 0.74

a

4ra



Metales con FCC a 25 C

El Fe y el Co presentan cambios en su estructura dependiendo de la temperatura




ESTRUCTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA (HCP)

• Los metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla porque el APF es demasiado bajo. El APF de la hexagonal compacta es 0.74 ya que los átomos están empaquetados de un modo lo más cercano posible. Cada átomo esta rodeado de otros 12 átomos y por tanto su número de coordinación es 12.




ESTRUCTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA (HCP)

• La celda HCP posee 6 átomos, tres forman un triángulo en la capa intermedia, existen 6*1/6 secciones de átomos localizados en las capas de arriba y de abajo, haciendo un equivalente a 2 átomos más, finalmente existen 2 mitades de átomo en el centro de ambas capas superior e inferior, haciendo el equivalente de un átomo más.



Metales con HCP a 25 C

El Sr presentan cambios en su estructura dependiendo de la temperatura




TRANSFORMACIONES ALOTRÓPICAS O POLIMÓRFICAS

• Los materiales que pueden tener más de una estructura cristalina se llaman alotrópicos o poIimórficos.

• El término alotropía por lo general se reserva para este comportamiento en elementos puros, en tanto que el polimorfismo es un término más general. Quizás hayas notado que el hierro y el titanio tienen más de una estructura cristalina.




• A bajas temperaturas, el hierro tiene una estructura FCC, pero a temperaturas más altas se convierte en una estructura BCC. Estas transformaciones dan los fundamentos para el tratamiento térmico del acero y del titanio.




POSICIONES DEL ÁTOMO EN CELDAS UNITARIAS CÚBICAS

• Para situar las posiciones atómicas en las celdas unitarias cúbicas se utilizan los ejes cartesianos x, y y z. En cristalografía, la zona positiva del eje x es generalmente la situada hacia afuera del papel, la zona positiva del eje y es la situada hacia la derecha del papel, y la zona positiva del eje z es la situada hacia arriba del papel.

• Las zonas negativas son las opuestas a las que se han descrito.

• Las posiciones de los átomos en la celda unitaria se localizan mediante distancias unitarias a lo largo de los ejes x, y y z, como se indica en la figura






• Por ejemplo, las coordenadas de posición para los átomos en la celda unitaria BCC se muestran en la figura. Las posiciones atómicas para los átomos situados en los vértices de la celda unitaria 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)




• Los elementos con mayor carácter metálico en su enlace poseen:

• Numero de coordinación = 12

• Numero de átomos por celda = 4

• Factor de empaquetamiento atómico = 74%

Es decir estructuras FCC

Difractograma de R-X del Au




2.5 CRISTALES IÓNICOS (CERÁMICAS)

• Muchos materiales cerámicos contienen enlaces iónicos entre aniones y cationes. Estos materiales iónicos deben tener estructuras cristalinas que aseguren la neutralidad eléctrica, permitiendo, sin embargo, que iones de tamaño distinto se empaquen con eficiencia.




• Neutralidad eléctrica:

• Si las cargas en el anión y en el catión son idénticas, el compuesto cerámico tiene la fórmula AC y el número de coordinación para cada ion debe ser el mismo, si se desea asegurar el equilibrio correcto de la carga.

• Sin embargo, si la valencia del catión es +2 y la del anión -1, entonces deberán estar dos veces más aniones, y la fórmula será de la forma AC2. La estructura del compuesto AC2 debe asegurar que el número de coordinación del catión, sea el doble del número de coordinación del anión.




• Radios iónicos. Las estructuras cristalinas de los compuestos iónicamente enlazados. a menudo pueden describirse colocando los cationes en los puntos normales de red de una celda unitaria. La relación de tamaño de los radios iónicos de anión y catión influye la forma de empaquetamiento y el número de coordinación.




• Se ha determinado una relación de radios para los distintos números de coordinación:.

Número de coordinación

rC/rA Geometría de coordinación

2 0.000 – 0.155 Lineal3 1.155 – 0.225 Centro del triangulo4 0.225 – 0.414 Centro del tetraedro6 0.414 – 0.732 Centro de octaedro8 0.732 – 1.000 Centro del cubo




EJEMPLO.

• Considere el compuesto CsCl, cloruro de cesio, determine el numero de coordinación correspondiente y la geometría del compuesto.

• Considere los radios ionicos del cesio y del cloro como 0.167 nm y 0.181 nm, respectivamente.




ESTRUCTURA CRISTALINA TIPO CLORURO DE CESIO

• Cl-: empaquetamiento CS

• Cs+: centro del cubo.

• I.C. = 8

• 1 Cl- y 1 Cs+ por celda unitaria.

Cerámicas que adoptan este tipo estructural: CsBr, TlCl, TlBr, aleaciones CuZn, AlNi




EJEMPLO.

• Considere el compuesto NaCl, cloruro de sodio, determine el numero de coordinación correspondiente y la geometría del compuesto.

• Considere los radios ionicos del sodio y del cloro como 0.097 nm y 0.181 nm, respectivamente.




ESTRUCTURA CRISTALINA TIPO CLORURO DE SODIO

• Cl-: Centro de octaedro

• Na+:Centro de octaedro

• I.C. = 6

• 4 Na+ y 4 Cl- por celda unitaria

Cerámicas que adoptan este tipo estructural: haluros alcalinos (excp. Cs y Tl), MgO, CaO, FeO, NiO




EJEMPLO.

• Considere el compuesto ZnS, sulfuro de zinc (blenda o blenda de zinc), determine el numero de coordinación correspondiente y la geometría del compuesto.

• Considere los radios ionicos del zinc y del azufre como 0.074 nm y 0.184 nm, respectivamente.




ESTRUCTURA CRISTALINA TIPO SULFURO DE ZINC (BLENDA)

• S2-: empaquetamiento FCC

• Zn2+: centro del cubo.

• I.C. = 4

• 4 Zn2+ y 4 S2- por celda unitaria

Cerámicas que adoptan este tipo estructural: CdS, HgSCélulas solares: Fotoconductores cerámicos




ESTRUCTURA CRISTALINA TIPO FLOURITA

• Ca2+: centro FCC.

• F-: empaquetamiento CS

• I.C. = 8 (Ca2)

• I.C. = 4 (F-)

• 4 Zn2+ y 4 S2- por celda unitaria

Cerámicas que adoptan este tipoestructural: UO2, ThO2, CeO2




ESTRUCTURA CRISTALINA TIPO OXIDO DE TITANIO

• O2-: HC desordenada.

• Ti4+: Tetragonal centrado en el cuerpo.

• I.C. = 6 (Ti, octaedro distorsionado)

• I.C. = 3 (O, triángulo casi equilatero)

• 2 Ti2+ y 4 O2- por celda unitaria

Blanqueantes (Pinturas, plásticos, …): No tóxicosPbO2: muy tóxico




ESTRUCTURA TIPO PEROVSKITA

• Estructuras tipo ABO3, A y B son metales (CaTiO3)

• Ca: Centro del cubo• Ti: Centro de octaedro fijado en los vértices

del cubo• O: Vértices del octaedro.

Cerámicas que adoptan este tipoestructural: LMnO3, Na3AlF3, MgSiO2

Materiales piroelectricos y piezoelectricos




ESTRUCTURA TIPO CORINDÓN

• Estructuras tipo M2O3, M es el metales (Al2O3)

• M: hexagonal compacta

• O: Tringular alternada entre las capas de la HCP

Cerámicas que adoptan este tipoestructural: Cr2O3, Fe2O3

Materiales abrasivos, los gemas como el rubí, el zafiro son corindones.




CORINDÓN• En algunos materiales cerámicas, el corindón puede

estar mezclado con metales, generando color en el material.

• Si existe cromo , a este se le conoce como rubí

• Si hay átomos de fiero y titanio se la llama zafiro.

• Además de los característicos colores azules existen también zafiros fantasía tales como los verdes y amarillos (debidos a la presencia de Fe3+), amarillos (por centros de color), púrpuras y violetas (con Fe2+, Ti4+ y Cr3+), rosas (con pequeñas cantidades de Cr3+)




ESTRUCTURA TIPO ESPINELA

• Son óxidos de fórmula ideal AB2O4, donde A es un catión divalente y B es un catión trivalente. El óxido MgAl2O4, la espinela, da nombre a esta familia de compuestos.

• A: 1/8 de las posiciones tetraédricas • B: 1/2 de las posiciones octaédrica.• O: cúbico compacto

A, amarillo; B, blanco; O, rojo.



La celda tiene iones A(II) en una disposición cúbica centrada en las caras (en los vértices y en los centros de las caras). Dentro de ese cubo se encuentran ocho cubos mas pequeños; cuatro de ellos constan de tetraedros AO4 y los otros cuatro cubos tienen iones B(III) y O(-II) en

los vértices, formando unidades B4O4.Estas unidades AO4 y B4O4 se distribuyen en la celda de

manera simétrica. En la siguiente figura, para mayor claridad, se han representado solo la mitad de los cubos.

A continuación se muestran las unidades B4O4 y AO4.




ESTRUCTURA TIPO GRAFITO

• El grafito es una de las formas alotrópicas en las que se puede presentar el carbono junto al diamante, los fulerenos, los nanotubos y el grafeno.

• Tiene propiedades semiconductoras y refractarias.




2.4 MATERIALES ORGÁNICOS E INORGÁNICOS

• Los materiales con enlace covalente frecuentemente deben tener estructuras complejas, a fin de satisfacer las restricciones direccionales impuestas por el tipo de enlace.

• Estructura cúbica de diamante (CD). Elementos como el silicio, el germanio y el carbono en su forma de diamante están unidos por cuatro enlaces covalentes y producen un tetraedro. El número de coordinación para cada átomo de silicio es solamente de cuatro, en razón a la naturaleza del enlace covalente.




DIAMANTE CÚBICO

• Como estos grupos tetraédricos están combinados, se puede construir un cubo grande . Este cubo grande contiene ocho cubos más pequeños del tamaño del cubo tetraédrico; sin embargo, sólo cuatro de los cubos contienen tetraedros.

• El cubo grande es la celda unitaria cúbica de diamante, es decir la celda unitaria CD. Los átomos de las esquinas de los cubos tetraédricos proporcionan átomos en los puntos de red BCC normales




• El cubo grande es la celda unitaria cúbica de diamante, es decir la celda unitaria CD. Los átomos de las esquinas de los cubos tetraédricos proporcionan átomos en los puntos de red BCC normales.




SÍLICE CRISTALINO .

• En algunas de sus formas, el sílice (es decir, el Si04

-4) tiene una estructura cerámica cristalina que es parte covalente y parte iónica. La figura muestra la estructura tetraédrica del sílice.




SÍLICE CRISTALINO .

• Las tres estructuras fundamentales de la sílice en función de la temperatura son:

• Cuarzo (cuarzo alfa T < 573°C y cuarzo beta 573°C < T < 867°C)

• Tridimita (867°C < T < 1470°C)

• Cristobalita ( 1470°C < T < 1710°C)




• La estructura de la sílice se basa a partir de la estructura cúbica de diamante (CD). La estructura formada está enlazando cuatro tetraedros de silicato dentro de la celda unitaria, produciendo una estructura más abierta, en consecuencia la densidad de la sílice en función de las estructuras presentadas serán menores en comparación a los compuestos metálicos y iónicos.







Cuarzo Cristobalita




ESTRUCTURAS EN POLIMEROS.

• En los sólidos cristalinos, las moléculas se encuentran ordenadas en las tres dimensiones. Esto es lo que se llama ordenamiento periódico y lo pueden tener los sólidos cristalinos constituidos por moléculas pequeñas. En el caso de los polímeros, las cadenas son muy largas y fácilmente se enmarañan y a demás, en el estado fundido se mueven en un medio muy viscoso, así que no puede esperarse en ellos un orden tan perfecto, pero de todas maneras, algunos polímeros exhiben ordenamiento parcial en regiones llamadas cristalitos.




• Una sola macromolécula no cabrá en uno de esos cristalitos, así que se dobla sobre ella misma y a demás puede extenderse a lo largo de varios cristalitos.

• Se distinguen regiones de dos clases: las cristalinas, en la que las cadenas dobladas varias veces en zigzag están alineadas formando las agrupaciones llamadas cristalitos; y otras regiones amorfas, en la que las cadenas se enmarañan en un completo desorden.

Polímero amorfo

Polímero cristalino




• La proporción o porcentaje de zonas cristalinas puede ser muy alta, como en el polietileno, en el nylon y en la celulosa.




• En esos casos puede considerarse que el material contiene una sola fase, que es cristalina, aunque con muchos defectos.

• En otros polímeros, como el PVC, el grado de cristalinidad es mucho menor y es más razonable considerarlo como sistemas de dos fases, una ordenada, cristalina, embebida en una matriz amorfa.




• El grado de cristalinidad de los polímeros, que por su estructura regular y por la flexibilidad de sus cadenas tienen mayor tendencia a cristalizar, depende de las condiciones de la cristalización.

• Si el polímero cristaliza a partir del material fundido, habrá más imperfecciones porque las cadenas se enredan y el medio es muy viscoso, lo cual dificulta el ordenamiento de ellas.




• En cambio, si el polímero cristaliza de una solución diluida, es posible obtener cristales aislados, con estructuras bien definidas como en el caso del polietileno, de donde se distinguen las llamadas lamelas formada por cadenas dobladas muchas veces sobre sí mismas.

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