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.
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
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.