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• Ale Villegas

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Universidad Tecnológica de Querétaro

16-2-2018

Estructura y Propiedades de los materiales.

Reporte - Unidad 1

Estructura de los materiales

Propiedades y Estructuras de los Materiales

I.

Querétaro, Qro.16 de febrero del 2018

Introducción

Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. En el presente documento se muestra la estructura de la materia por medio de diferentes subtemas que muestran los tipos de enlaces que se generan para formar las estructuras cristalinas de los materiales, sus características físicas, químicas y mecánicas dependiendo el tipo de material y procesos de conformado a los que estos se puedes someter, entre muchos otro temas que permitirán al lector tener un concepto claro de cómo se estructuran los materiales.

II.

Objetivo

Realizar una investigación detallada sobre la estructura de los materiales.

III.

Marco Teórico

A través de la Historia es posible observar la importancia que los materiales han tenido en la vida del hombre. Si bien los primeros materiales que utilizó fueron aquellos que estaban a su alcance, materiales naturales, éstos fueron rápidamente modificados y adaptados a sus necesidades. Tal ha sido el impacto de los materiales que algunas etapas de la civilización han sido denominadas por el tipo de material que el hombre utilizaba.

Primer período (2.5 millones de añoa3000 a.c). • Herramientas de piedra • Madera • Huesos • Cuerdas • Cestos • Cuero

Segundo período (5000 a. c. - 1500 a. c.)

Tercer período (2000 a. c. - -0 a.c.)

• Cobre • Cerámica

• Bronce

Cuarto período (800 a.c. - 1000 d.c.)

• Hierro • Plata • Oro

Quinto período (1900: Rvolución industrial). • Metales • Carbón • Vapor

Figura 1. Línea del tiempo de la historia de los materiales.

IV. Desarrollo 1. Estructura de los materiales.

Las propiedades de un material determinado se pueden clasificar en cinco grupos diferentes:  

Propiedades químicas. Propiedades físicas principales.

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Se le llama estructura de los materiales a la disposición ordenada y geométrica, en el espacio, de los constituyentes de la materia en estado sólido, donde la estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones.

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  

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Propiedades mecánicas. Propiedades estéticas y económicas. Propiedades de fabricación.

El procedimiento de los materiales hace referencia al como pueden ser utilizados los materiales para su aplicación industrial, etc., el cómo pueden combinarse y como podría optimizarse su uso.

2. Ciencia de los materiales. La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales, es un campo multidisciplinario que estudia conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería. La ciencia de materiales clasifica a todos los materiales en función de sus propiedades y su estructura atómica. Son los siguientes:     

Metales Cerámicos Polímeros Materiales compuestos Semiconductores

3. Tipos de enlaces. 3.1. Enlace Iónico. El enlace iónico es la fuerza de atracción eléctrica que existe entre los iones de cargas o puestas (cationes – aniones) que los mantienen juntos en una estructura cristalina. Resulta de la transferencia de uno o más electrones comúnmente del metal hacia el no metal. Propiedades de los Compuestos Iónicos: 

A temperatura ambiental son sólidos, cuya estructura está definida por lo que son cristalinos (la atracción de los iones es polidireccional).



Generalmente son solubles en agua y otros solventes polares como etanol, acetona, etc. Tienen alta temperatura de fusión y ebullición.

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

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Figura 2. Ejemplo- Cloruro de Sodio (NaCl).

3.2.

Enlace covalente.

Es la fuerza electromagnética que mantiene unidos a átomos que comparten electrones, los cuales tienen espines o giros opuestos. Los átomos enlazados se encuentran neutros y generalmente son no metálicos. Propiedades de los Enlaces Covalentes: 

A temperatura ambiental pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.



Algunos pueden ser sólidos cristalinos



Generalmente tienen baja temperatura de fusión y ebullición.



Generalmente son insolubles en agua, pero si son solubles en solventes apolares



Son aislantes, es decir, son malos conductores eléctricos.

Figura 3. Enlace Covalente.

3.3.

Enlace Metálico. 16-2-2018

El enlace metálico es la fuerza de atracción producida por los cationes de un metal y el mar de electrones de valencia deslocalizados a lo largo del sólido.

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Propiedades de los metales 

Temperaturas de fusión y ebullición muy elevadas.



Buenos conductores de la electricidad y del calor.



Son dúctiles y maleables al aplicar presión.



Son en general duros.



La mayoría se oxida con facilidad.

4.

Figura 4. En el enlace metálico algunos electrones se mueven entre los

Formación de las estructuras.

4.1.

Cristalina: celda unitaria, redes de Bravais.

Celda unitaria

 Presentan un arreglo interno ordenado, basado en minúsculos cristales individuales cada uno con una forma geométrica determinada.  Los cristales se obtienen como consecuencia de la repetición ordenada y constante de las unidades estructurales (átomos, moléculas, iones).  Al romperse se obtienen caras y planos bien definidos.  Presentan puntos de fusión definidos, al calentarlos suficientemente el átomos con facilidad cambio de fase ocurre de una manera abrupta.

Figura 5. Sistemas Cristalinos.

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 Ejemplos: NaCl, Sacarosa, Sales en general, Metales, Algunos polímeros, Algunos cerámicos.

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Redes de Bravais.

Las redes de Bravais son una disposición infinita de puntos discretos cuya estructura es invariante bajo cierto grupo de traslaciones. Las Redes de Bravais o celdas unitarias, constituyen la menor subdivisión de una red cristalina que conserva las características generales de toda la retícula, de modo que por simple traslación del mismo, puede reconstruirse el sólido cristalino completo. Estas propiedades hacen que desde todos los nodos de una red de Bravais se tenga la misma perspectiva de la red. Se dice que los puntos de una red de Bravais son equivalentes. Se ha demostrado que sólo existe una única red de Bravais unidimensional, 5 redes bidimensionales y 14 modelos distintos de redes tridimensionales.

Figura 6. Representaciones de posiciones atómica y móldelos rígidos.

4.2 Amorfos.

 Sus partículas presentan atracciones lo suficientemente fuertes para impedir que la sustancia fluya, obteniendo un sólido rígido y con cierta dureza.

 Al romperse se obtienen formas irregulares  Se ablandan dentro de un amplio rango de temperatura y luego funden o se descomponen.

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 No presentan arreglo interno ordenado sino que sus partículas se agregan al azar.

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 Ejemplos: Asfalto, Parafina, Ceras, Vidrios, algunos polímeros, algunos cerámicos.

Figura 7. Estructuras Amorfas.

5. Identificar la clasificación, las Características y defectos de los materiales: Metálicos, Polímeros, Cerámicos y compuestos.

Clasificación de los materiales.

Por su Origen

Por sus Propiedades

Materiales Artificiales Figura 8. Mapa conceptual de la clasificación general de los materiales

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Materiales Naturales

Por su Composción

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Los tipos de defectos con:  Puntuales.  Lineales.  Superficiales. Defectos según la composición del material. Intrínsecos: los defectos que no afectan la composición.  Schottky: Vacantes de la red.  Frenkel: Un átomo se traslada a una posición intersticial creando una vacante. Extrínsecos: Cambios en la composición, aparición de defectos o se crean cuando un átomo se inserta dentro de la red. Defectos según dimensiones del material.

Figura 9. Defecto Frenkel.

Figura 10. Defecto Schottky.

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 Puntuales  Vacantes  Intersticiales  Schottky  Frenkel  Desorden Anti estructural  Centros de color  Lineales-Dislocaciones  Arista  Hélice  Mixta  Extensos o planares  Estructurales  Superficies  Bordes de grano  Planos de macla  Falta de apilamiento  Composiciones  Planos, Cizalladura y Cristalográfica  Planos macla química

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5.1.      

     

Materiales Metálicos

Compuestos de sustancias inorgánicas fundamentalmente metales, sin conformar óxidos ni sales metálicas. Tipo de enlace interatómico: metálico conformando estructura cristalina específica de los metálicos. Resistencia aceptable hasta media temperatura. Buenos conductores del calor y la electricidad. Tenaces y deformables, en general. Altas densidades.

5.2. 

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Materiales Cerámicos

Compuestos de sustancias inorgánica fundamentalmente óxidos y sales metálicas, excluyendo metales puros. Tipo de enlace interatómico: iónico conformando estructura cristalina específica de los cerámicos. Malos conductores del calor y electricidad. Frágiles e indeformables. Resistencia a altas temperaturas. Densidades medias. Ejemplos: Ladrillos, porcelanas, vidrios, nitruros, etc.

5.3. Materiales Polímeros  Compuestos de sustancias orgánicas en base al C, H, O y otros elementos no metálicos.  Tipo de enlace interatómico: covalente conformando largas cadenas lineales o redes, con nula o media cristalinidad.  Resistentes a bajas temperaturas.  Malos conductores del calor y la electricidad.  Frágiles unos, tenaces y plásticos otros.  Bajas densidades.  Ejemplos: Polietileno, poliéster, nylon y muchos otros. 5.4.



Son compuestos de dos o más materiales para mejorar las propiedades débiles en unos y potenciar las fuertes de los otros pero conservando fuertemente su forma inicial. El material a potenciar de propiedad débil se denomina matriz y el que potencia se denomina refuerzo.

. El hormigón armado es un ejemplo universal de material compuesto: la matriz, el hormigón, es reforzada por el refuerzo, la varilla metálica, para conseguir mejores resistencias a la tracción.

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

Materiales Compuestos

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Se pueden componer normalmente:  Polímeros con cerámicos.  Metálicos con cerámicos en el que el primer material nombrado hace de matriz.

6. Procesos de conformado. Los procesos de conformado, las herramientas, usualmente dados de conformación, ejercen esfuerzos sobre la pieza de trabajo que las obligan a tomar la forma de la geometría del dado. 6.1. En Frio: Trabajo a temperatura ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia original de metal, produciendo a la vez una deformación. Características     

Mejor precisión. Menores tolerancias. Mejores acabados superficiales. Mayor dureza de las partes. Requiere mayor esfuerzo.

6.2. En Caliente. Se define como la deformación de temperatura mayor que la de recristalización. La ventaja principal del trabajo en caliente consiste en la obtención de una deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada para moldear partes grandes porque el metal tiene una baja resistencia de cedencia y una alta ductilidad.

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Características  Mayores modificaciones a la forma de la pieza de trabajo.  Menores esfuerzos.  Opción de trabajar con metales que se fracturan cuando son trabajados en frío.

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Figura 11. Mapa conceptual de Procesos de conformado.

7. Cambios en la estructura interna que sufren los materiales durante su procesamiento. Para realizar su función un componente debe tener la forma correcta. Para esto se debe aprovechar la relación entre la estructura interna del material, su procesamiento y las propiedades finales del mismo. Cuando se modifica alguno de estos tres aspectos, cualquiera de los restantes también cambia.

8.1 Defectos puntuales Discontinuidades de la red que involucran uno o quizás, varios átomos. Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introducción de impurezas o intencionalmente a través de las aleaciones.

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8. Tipos de defectos estructurales presentes en los materiales.

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8.2 Vacancias Una vacancia se produce cuando falta un átomo en un sitio normal. Las vacancias se crean en el cristal durante la solidificación a altas temperaturas o como consecuencia de danos por radiación. A temperatura ambiente aparecen muy pocas vacancias, pero estas se incrementan de manera exponencial conforme se aumenta la temperatura. 8.3. Defectos intersticiales Se forman cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina. 8.4. Defectos sustitucional Se crea cuando se reemplaza un átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición original. Este defecto distorsiona la red circundante. 8.5. El defecto Fenkel Es un par de defectos, intersticio-vacancia formado cuando un ion salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial, dejando atrás una vacancia. 8.6. El defecto Schottky Es un par de vacancias en un material de enlace iónico; deben faltar tanto un anión como un catión en la red si se ha de preservar la neutralidad eléctrica del cristal. 8.7. Defectos de superficie Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas distintas.

Bibliografía

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Márquez, R. (2012). Estructura de los materiales. México.

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