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• Luis Solier

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TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

RED CRISTALINA

COMPETENCIAS PRINCIPALES DE LA UNIDAD • Interpretar e identificar el Diagrama Fases de diferentes aleaciones, como fundamento en el análisis de fallas en materiales industriales y la selección del material de acuerdo a las necesidades específicas

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COMPETENCIAS ESPECÍFICAS DE LA UNIDAD • Identificar y analizar el concepto de red cristalina y su correlación las propiedades mecánicas.

• Aplicaciones del mejoramiento de la estructura cristalina de los metales. • Conocer y analizar la estructura cristalina de diferentes materiales y sus propiedades.

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La materia está constituido por elementos químicos

Dentro de los sólidos se puede hacer una clasificación entre sólido amorfo y sólido cristalino.

Sin orden: Los átomos y moléculas carecen de una arreglo ordenado, por ejemplo los gases se distribuyen aleatoriamente en el espacio donde se confina el gas. Los átomo monoatómicos inertes no tienen ordenamiento regular de átomos

Ordenamiento particular (corto alcance): El arreglo se restringe solamente a átomos circunvecinos (agua, cerámicos, polímeros). Algunos materiales, que incluyen vapor de agua, nitrógeno gaseoso, silicio amorfo y vidrios de silicato tienen orden de corto alcance

Ordenamiento general (largo alcance): El arreglo se distribuye por todo el material. El arreglo difiere de un material a otro en forma y dimensión, dependiendo del tamaño de los átomos y de los tipos de enlace de estos. Metales, aleaciones, muchos cerámicos y algunos polímeros tienen ordenamiento regular de átomos o iones

ESTRUCTURA CRISTALINA Y SU CONSECUENCIA EN SUS PROPIEDADES

El estado Sólido el estado amorfo

La estructura cristalina

Los átomos se encuentran mezclados en una manera completamente desordenada ( no hay ordenamiento) Sus propiedades no son función de la dirección

Sus propiedades depende de la dirección

Puntos de fusión no definidos

Puntos de fusión definidos

Presentará idénticas propiedades en cualquier dirección

ISOTROPIA

Consiste de átomos dispuestos según un orden geométrico regular (hay ordenamiento)

Por constituir una ordenación atómica no manifiesta un idéntico comportamiento ante agentes externos en cualquier de las direcciones de los cristales

ANISITROPIA

AMORFA

 Sus partículas presentan atracciones lo suficientemente fuertes para impedir que la sustancia fluya, obteniendo un sólido rígido y con cierta dureza.  No presentan arreglo interno ordenado sino que sus partículas se agregan al azar.  Al romperse se obtienen formas irregulares.  Se ablandan dentro de un amplio rango de temperatura y luego funden o se descomponen. Ejemplos: Asfalto, Parafina, Ceras, Vidrios, algunos polímeros, algunos cerámicos.

Los materiales amorfos son caracterizados por el orden de corto alcance. Así por ejemplo, los vidrios, principalmente formados por cerámicos y poliméricos, son materiales amorfos. Algunos geles poliméricos también pueden considerarse amorfas. La mezcla inusual de sus propiedades arroja átomos irregularmente repetidos en su composición.

CRISTALINA

 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 cambio de fase ocurre de una manera abrupta. Ejemplos: NaCl, Sacarosa, Sales en general, Metales, Algunos polímeros, Algunos cerámicos .

 Los metales poseen una distribución organizada de sus átomos.

 Su ESTRUCTURA CRISTALINA se caracteriza por un apilamiento simétrico de los átomos en el espacio. Este apilamiento se denomina RED CRISTALINA y es propio de cada elemento.  El elemento mas pequeño representativo de la simetría de la red es la CELDA UNITARIA

RED CRISTALINA Ordenamiento espacial de átomos y moléculas que se repite sistemáticamente hasta formar un Cristal

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Celda Unitaria es un bloque

Red Espacial

de átomos el cual se repite así mismo para formar la red espacial. Está formado por la repetición de ocho átomos. El cristal se puede representar mediante puntos en los centros de esos átomos.

Celda Unitaria

Las propiedades de los sólidos depende de la estructura cristalina y de las fuerzas de enlace.

Las agrupaciones de cristales, dentro de los cuales hay un orden se llama GRANO y al sólido se le llama POLICRISTALINO

Frontera o borde de grano

La dimensión de los granos es del orden de 0.02 a 0.2 mm. Su observación a través del microscopio define su ESTRUCTURA MICROGRAFICA

Aleación: Sustancia metálica compuesta de dos o más elementos. Cristal: Sólido con estructura atómica que posee simetría translacional o periodicidad en tres dimensiones. Estructura cristalina: El ordenamiento de los átomos en un monocristal. Vidrio: Un sólido formado mediante el enfriamiento rápido de un líquido para evitar la cristalización. El ordenamiento de los átomos en un vidrio carece de periodicidad Grano: Cada uno de los monocristales que componen un material policristalino. Frontera de grano: la intercara que separa dos granos adyacentes en un policristal, que poseen diferente orientación cristalográfica. Microestructura: la estructura interna de un material (defectos, fronteras de grano, fases,…)

Dependiendo de la posición de los átomos no situados en los vértices, se puede dar lugar a varias redes cristalinas:    

Sencilla o cúbica simple. Centradas en el cuerpo. Centradas en la cara. Centradas en la base.

Con las distintas combinaciones se crean las redes de Bravais:

Mayormente los metales cristalizan en tres redes cristalinas: RED CUBICA SENCILLAS (Cubic Unit cell) los átomos ocupan en los vértices de la celda untiaria Como MERCURIO Y PLONIO RED CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO ) l (Body Centered Cubic Unit cell) BCC os átomos ocupan en los vértices de la celda untiaria y e centro de la celda Cromo, Tungsteno, Hierro (alfa), Hierro (beta), Molibdeno, Vanadio, Sodio

RED CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS (Fase Centered Cubic Unit cell) FCC los atomos ocupan en los vértices y en el centro de cada caras de la celda Aluminio, Cobre, Plomo, Plata, Niquel, Oro, platino, Hierro (gamma) (RED HEXAGONAL COMPACTA Hexagonal Closed Packed) HCP la celda unitaria es un prisma hexagonal con atomos en los vertices cuyas bases tienen un atomo en el centro de la cara, en el centro de la celda tiene tres atomos mas en este caso cristalizan metals como el Magnesio, Berilio , Zinc y Cadmio

Una Estructura Cristalina

Resumiendo podríamos decir que un material sólido es un material cristalino en su interior. Este ordenamiento de los átomos no sólo define el estado del material sino también sus propiedades mecánicas.

La siguiente figura muestra las estructuras cristalinas CCC y HC con las que cristalizan el aluminio y el magnesio respectivamente.

Figura 2. Estructuras cristalinas del aluminio (BCC) y del magnesio (HC).

ESTRUCTURA CRISTALINA La forma de los cristales dependerá de varios factores: 1. La naturaleza del metal 2. Los tratamientos térmicos a los que se someta el metal 3. La forma en la que se realicen estos últimos

Estructura de red cúbica centrada (BCC)

Estructura cristalina cúbica centrada en la caras (FCC)

Estructura de red hexagonal compacta (HCP)

ESTRUCTURA CRISTALINA DEL HIERRO

CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO

¿Qué es una transformación en estado sólido? El hierro no sólo sufre los cambios de estado en función de la temperatura sino que también sufre transformaciones en estado sólido. Si viajáramos al interior de un material a escala submicroscópica veríamos que está constituido por átomos. Cuando se trata de un material sólido los átomos se encuentran ordenados formando una estructura regular y repetitiva

CONCLUSIONES

El tamaño de estos granos influye de manera importante sobre las propiedades mecánicas del metal

PROPIEDADES DERIVADAS DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA Algunas propiedades de los metales y cerámicas pueden predecirse o justificarse mediante la estructura cristalina perfecta, tal como se ha descrito. Es el caso de las que se especifican a continuación:

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