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• Angeliitho Alcazar

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CARRERA: ING.ELECTROMECANICO

ASIGNATURA: TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES

PROFESOR: MARCO ANTONIO ZARATE

ACTIVIDAD: INVESTIGACION BIBLIOGRAFICA

ALUMNA: SARAI GARCIA CASTRO

SEMESTRE Y GRUPO: 2°A

NUMERO DE CONTROL: 13E50106

FRONTERA, CENTLA, TABASCO, 21/03/2014

INDICE

UNIDAD I ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES

INTRODUCCION……………………………………………………………………... 3

1.1 ESTRUCTURA Y ARREGLO CRISTALINO Y NO CRISTALINO…………. 4

1.2 IMPERFECCIONES……………………………………………………………… 8

1.3 MOVILIDAD DE LOS ATOMOS (DIFUSION)………………………………… 12

CONCLUSION……………………………..………………………………………..... 14

REFERENCIAS………………………………………………………………………. 15

INTRODUCCION

En este trabajo se hablara acerca de las estructuras cristalinas, sus imperfecciones, la movilidad de sus átomos. Con la finalidad de que tengamos conocimiento acerca de los materiales con los que en un futuro no lejano podamos trabajar ya que para construir algo primero tenemos que saber que resistencia va a tener, una aproximación de cuanto te va a durar. Pero como en todo hay imperfecciones los materiales no son la excepción ya que sufren en ocasiones, imperfecciones puntuales o también conocidos como átomos intersticiales. El conocimiento de la estructura cristalina de los metales permite comprender mejor sus propiedades y su desempeño en aplicaciones prácticas.

ESTRUCTURA Y ARREGLO CRISTALINO Y NO CRISTALINO

CLASIFICASION DE LOS MATERIALES: Hay varias formas de clasificar a los materiales. Una de ellas consiste en describir cinco grupos: 1. Metales y aleaciones 2. Cerámicos, vidrios y vitrocerámicos; 3. Polímeros (plásticos); 4. Semiconductores y 5. Materiales compuestos Metales y aleaciones: Incluyen aceros, aluminio, magnesio, zinc, hierro colorado, titanio, cobre y níquel. En general, los metales tienen buena conductividad eléctrica y térmica. Los metales y las aleaciones tienen una resistencia relativamente alta, gran rigidez, ductilidad o formabilidad y buena resistencia a los choque térmicos. Tienen utilidad especial en aplicaciones estructurales o bajo cargas dinámicas. Aunque a veces se usan metales puros, las mezclas de metales llamadas aleaciones permiten mejorar determinadas propiedades o mejores combinaciones de propiedades. Cerámicos, vidrios y vitroceramicas: los cerámicos se pueden definir como materiales cristalinos inorgánicos. Es posible que sean los materiales más “naturales”. La arena de la playa y las rocas son ejemplos de cerámicos naturales. Los cerámicos avanzados son materiales obtenidos refinando cerámicos naturales y con otros procesos especiales. Se usan en sustratos que albergan chips de computadora, sensores y actuadores, capacitores, comunicaciones inalámbricas, bujías de motores, inductores y aislantes eléctricos. Algunos cerámicos se usan como recubrimientos, actuando como barrera para proteger sustratos metálicos en motores de turbina. Vidrio: es un material amorfo y se obtiene con frecuencia, pero no siempre, de la sílice fundida. El término amorfo se aplica a materiales que no tienen arreglo regular y periódico de sus átomos.

Polímeros: Son materiales orgánicos comunes. Se producen con un proceso llamado polimerización. Entre los materiales poliméricos están el caucho (elastómeros) y muchas clases de adhesivos. Semiconductores: los semiconductores base de silicio, germanio y arseniuro de galio, como los que usan en las computadoras y en electrónica, son parte de una clase más amplia, la de los materiales electrónicos. Materiales compuestos(o compósitos): La idea principal del desarrollo de materiales compuestos es combinar las propiedades de materiales distintos. Se forman a partir de dos o más materiales y se obtienen propiedades que no posee un solo material. El concreto, la madera terciada y los plásticos reforzados con fibras de vidrios son ejemplos de materiales compuestos. Estos últimos se fabrican dispersando fibras de vidrio en una matriz de polímero. Las fibras de vidrio hacen más rígido al polímero sin aumentar mucho su densidad. Estructura cristalina: arreglo de los átomos en un material cristalino. La estructura de los materiales se puede examinar y describir en cinco niveles diferentes. 1. 2. 3. 4. 5.

Macroestructura, Microestructura, Nanoestructuras, Arreglos atómicos de corto y largo alcance y Estructura atómica.

Los ingenieros y los científicos que se ocupan del desarrollo y las aplicaciones prácticas de materiales avanzados deben comprender la microestructura y la macroestructura de diversos materiales, así como la forma de controlarlas. La microestructura es la estructura del material a una escala de longitud de ~10 a 1000nm. La escala de longitud es una longitud o intervalo de dimensiones características dentro de la que se describen las propiedades de un material o los fenómenos que suceden en los materiales. En el caso normal, la microestructura comprende propiedades como el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la orientación de los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos en los materiales.(Un grano es una proporción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico.) La macroestructura es la estructura del material a nivel macroscópico, donde la escala de longitud es ~>1000nm. Entre las propiedades que constituyen la macroestructura están la porosidad, los recubrimientos superficiales y las microgrietas internas o externas.

También es importante comprender la estructura atómica y la forma en que los enlaces atómicos producen distintos arreglos atómicos o iónicos en los materiales. La estructura atómica incluye todos los átomos y sus arreglos, que constituyen los bloques estructurales de la materia. A partir de estos bloques estructurales emergen todos los nano, micro y macro niveles de estructura. Las perspectivas obtenidas al comprender la estructura atómica y las configuraciones de en lace de los átomos y moléculas son esenciales para una buena selección de materiales de ingeniería, así como para desarrollar nuevos materiales avanzados. Un examen detenido del arreglo atómico permite distinguir entre materiales que son amorfos (que carecen de un orden de largo alcance de los átomos o iones) o cristalinos (los que tienen arreglos geométricos periódicos de átomos o iones). Los materiales amorfos sólo tienen arreglos atómicos de corto alcance, mientras que los materiales cristalinos tienen arreglos de corto alcance, los átomos o los iones muestran determinado orden solo dentro de distancias relativamente corta. P ara los materiales cristalinos, el orden atómico de largo alcance tienen la forma de átomos o iones ordenados en un arreglo tridimensional que se repite a lo largo de distancias mucho mayores (desde ~>100 nm hasta algunos centímetros). Materiales amorfos: principios y aplicaciones tecnológicas. Todo material que solo muestra ordenamiento de átomos o iones de corto alcance es un material amorfo, es decir, un material no cristalino. En general, la mayoría de los materiales tienden a formar arreglos periódicos, porque esta configuración maximiza su estabilidad termodinámica. Los materiales amorfos tienden a formarse cuando, por una u otra razón, la cinética del proceso de obtención de los mismos no permitió la formación de arreglos periódicos. Los vidrios, que normalmente se forman en sistemas cerámicos y poliméricos, son buenos ejemplos de los materiales amorfos. De igual modo, algunas clases de geles poliméricos o coloidales, o materiales parecidos a los geles, también se consideran amorfos. Los materiales amorfos ofrecen, con frecuencia, una mezcla única e inusual de propiedades, porque los átomos o los iones no están acomodados en sus arreglos “regulares” y periódicos. Obsérvese que con frecuencia hay muchos materiales de ingeniería calificados como “amorfos “que pueden contener una fracción cristalina. Redes, celdas unitarias, bases y estructuras cristalinas.. Una red es una colección de puntos, llamados puntos de red, ordenados en un patrón periódico de tal modo que los alrededores de cada punto de la red son idénticos. Una red puede ser uní, bi o tridimensional. En la ciencia e ingeniería de los materiales se usa el concepto de “red” para describir los arreglos de átomos o

de iones. Un grupo de uno o más átomos ubicados en forma determinada entre sí, y asociados con cada punto de red, se llama motivo, motif o base. Se obtiene una estructura cristalina sumando la red y la base; es decir: Estructura cristalina = red + base. La celda unitaria es la subdivisión de una red que sigue conservando las características generales de toda la red. Al apilar celdas unitarias idénticas se pueden construir toda la red. Hay siete arreglos únicos, llamados sistemas cristalinos, que llenan el espacio tridimensional. Son los sistemas cúbicos, tetragonales, ortorrómbicos, romboédricos (que también se llama trigonal), hexagonales, monoclínicos y triclínicos. Aunque existen estos siete sistemas cristalinos, hay un total de 14 arreglos distintos de puntos de red.

IMPERFECCIONES Dislocaciones: las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma seria perfecta. Generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidificación del material o al deformarlo. Aunque en todos los materiales hay dislocaciones presentes, incluyendo los materiales cerámicos y los polímeros, son de particular utilidad para explicar la deformación y el endurecimiento de los materiales. Podemos identificar dos tipos de dislocaciones: la dislocación de tornillo y la dislocación de borde. Dislocación de tornillo: La dislocación de tornillo se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, torciéndolo y desplazándolo un lado del corte sobre el otro a la distancia de un átomo. Si en un plano cristalográfico descubrimos una revolución completa alrededor del eje sobre el cual el cristal fue torcido, partiendo del punto x y recorriendo espaciamientos atómicos iguales en cada dirección, terminaremos a un espacio atómico por debajo de nuestro punto de partida (punto y). El vector que se requiere para cerrar la trayectoria y volver a nuestro punto inicial se conoce como el vector de Burgers b. Si continuáramos nuestra rotación, trazaríamos una trayectoria en espiral. El eje, es decir la línea alrededor de la cual trazamos esta trayectoria, es la dislocación de tornillo. El

vector de Burgers es paralelo a la dislocación de tornillo.

Dislocaciones de borde: una dislocación de borde se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, separándolo y rellenando parcialmente el corte con un plano de átomos adicional. El borde inferior de este plano adicional representa la dislocación de borde.

Dislocaciones mixtas: Las dislocaciones mixtas tienen componentes tanto de borde como de tornillo, con una región entre ambas. El vector de Burgers, sin embargo, se conserva igual para todas las porciones de la dislocación mixta.

Defectos puntuales: los defectos puntuales son discontinuidades de la red involucran uno o quizá 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. Vacancias: una vacancia se puede 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 daños por radicación. A temperatura ambiente aparecen muy pocas vacancias, pero estas se incrementan de manera exponencial conforme se aumenta la temperatura; como se muestra en la siguiente ecuación de Arrhenius:

Defectos intersticiales: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina. Los átomos intersticiales, aunque mucho más pequeños que los átomos localizados en los puntos de la red, aun así son mayores que los sitos intersticiales que ocupan; en consecuencia, la red circundante aparece comprimida y distorsionada. Los átomos intersticiales como el hidrogeno a menudo están presentes en forma de impurezas; los átomos de carbono se agregan al hierro para producir acero. Una vez dentro del material, el número de átomos intersticiales en la estructura se mantiene casi constante, incluso al cambiar la temperatura.

Defectos sustitucionales: Se crea un defecto sustitucional cundo se remplaza un átomo por otro tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición original. Cuando estos átomos son mayores que los normales de la red, los átomos circundantes se comprimen; si son más pequeños, los átomos circundantes quedan en tensión. En cualquier caso; el defecto sustitucional distorsiona la red circundante. Igualmente, se puede encontrar el defecto sustitucional como una impureza o como un elemento aleante agregado deliberadamente y, una vez introducido. El número de defectos es relativamente independiente de la temperatura. 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. Superficie material: En las superficies externas del material de la red termina de manera abrupta. Cada átomo de la superficie ya no tiene el mismo número de coordinación y se altera el enlace atómico. Asimismo, la superficie puede ser muy áspera, contener pequeñas muescas y quizás ser mucho más reactiva que el interior del material. Fronteras de grano: La micro estructura de la mayor parte de los materiales está formada por muchos granos. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico. Sin embargo, la orientación del arreglo atómico, o de la estructura cristalina, es distinta para cada grano. La frontera de grano, que es la superficie que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los átomos no están correctamente especificados. Esto quiere decir que, en algunos sitios, los átomos están tan cerca uno de otros en la frontera de grano que se crean una región de comprensión y en otras áreas están tan alejados que crean una región de tensión.

MOVILIDAD DE LOS ATOMOS (DIFUSION) Difusión por vacancia: En la autodifusión y en la difusión de átomos sustitucionales, un átomo abandona su sitio en la red para llenar una vacancia cercana (creando así una nueva vacancia en su lugar original en la red). Conforme continúa la difusión, se tiene un flujo de vacancias y átomos en sentidos opuestos conocidos como difusión por vacancia. El número de vacancias, que se incrementa al aumentar la temperatura, ayuda a determinar la extensión tanto de la autodifusión como de la difusión de los átomos sustitucionales.

Difusión intersticial: Cuando en la estructura cristalina está presente un pequeño átomo intersticial, este átomo pasará de un sitio intersticial a otro. Para este mecanismo no es necesario que existan vacancias. En parte porque el número de sitios intersticiales es mucho mayor que el de valencia, por tanto, se espera la difusión intersticial sea rápida. Energía de activación para la difusión: Un átomo que se difunde debe oprimir a los átomos circundantes para llegar a su nuevo sitio. Para que esto ocurra, deberá proporcionársele energía a fin de que llegue a su nueva posición.

Como se ve de una manera esquemática en la difusión por vacancias e intersticial de la figura. El átomo originalmente está en una ubicación de baja energía y relativamente estable. A fin de pasar a un nuevo sitio, el átomo debe vencer una barrera energética. La barrera energética es la energía de activación Q. El calor le proporciona al átomo la energía que requiere para vencer esta barrera. Normalmente se requiere menos energía para hacer pasar un átomo intersticial entre los átomos circundantes; en consecuencias, en la difusión intersticial las energías de activación son menores que la difusión por vacancias. Difusión y el procesamiento de los materiales Los procesos a base de difusión son muy importantes cuando se utilizan o procesan materiales a temperaturas elevadas (en capítulos posteriores se analizaran muchos ejemplos de importancia). En esta sección se verán tres casos en los cuales la difusión es importante.

CONCLUSION

En los temas tratados con anterioridad se puede afirmar que son de mucha importancia para el ingeniero electromecánico porque son las bases que se debe conocer para poder trabajar con dichos materiales,

BIBLIOGRAFÍA 1. Donald R. Askeland. Ciencia e Ingeniería de los materiales. Edición 3°. Editorial: internacional Thomson Editores, S.A de C.V.

2. Askeland D.R. Phule.P.P Ciencia e Ingeniería de los materiales. Edición 4°. Editorial: internacional Thomson Editores, S.A de C.V. Fecha 2004.