Indice
1.
Historia de los materiales y su
clasificación
2. Tipos de
materiales
3. Regla de las fases de
GIBBS
4. Liga metálica de un material y
enlaces existente para su configuración
5. Conclusiones
6. Bibliografía
1. Historia de los materiales y
su clasificación
Los materiales son
las sustancias que componen cualquier cosa o producto
.Desde el comienzo de la civilización , los materiales
junto con la energía han sido utilizados por el hombre para
mejorar su nivel de vida. Como los productos
están fabricados a base de materiales , estos se
encuentran en cualquier parte alrededor nuestro .Los mas
comúnmente encontrados son madera ,
hormigón , ladrillo , acero , plástico ,
vidrio , caucho ,
aluminio ,
cobre y
papel .
Existen muchos mas tipos de materiales y uno solo tiene que mirar
a su alrededor para darse cuenta de ello . Debido al progreso de
los
programas de
investigación y desarrollo ,
se están creando continuamente nuevos materiales.
La producción de nuevos materiales y el
procesado de estos hasta convertirlos en productos
acabados , constituyen una parte importante de nuestra economía actual. Los
ingenieros diseñan la mayoría de los productos
facturados y los procesos
necesarios para su fabricación . Puesto que la producción necesita materiales , los
ingenieros deben conocer de la estructura
interna y propiedad de
los materiales , de modo que sean capaces de seleccionar el mas
adecuado para cada aplicación y también capaces de
desarrollar los mejores métodos de
procesado.
Los ingenieros especializados en investigación trabajan para crear nuevos
materiales o para modificar las propiedades de los ya existentes
. Los ingenieros de diseño
usan los materiales ya existentes , los modificados o los nuevos
para diseñar o crear nuevos productos y sistemas .
Algunas veces el problema surge de modo inverso : los ingenieros
de diseño
tienen dificultades en un diseño y requieren que sea
creado un nuevo material por parte de los científicos
investigadores e ingenieros.
La búsqueda de nuevos materiales progresa continuamente .
Por ejemplo los ingenieros mecánicos buscan materiales
para altas temperaturas , de modo que los motores de
reacción puedan funcionar mas eficientemente . Los
ingenieros eléctricos procuran encontrar nuevos materiales
para conseguir que los dispositivos electrónicos puedan
operar a mayores velocidades y temperaturas .
Por conveniencia la mayoria de los materiales de la
ingenieria estan divididos en tres grupos
principales materiales metálicos , poliméricos , y
cerámicos
Materiales metálicos .
Estos materiales son sustancias inorgánicas que
están compuestas de uno o mas elementos metálicos ,
pudiendo contener también algunos elementos no
metálicos , ejemplo de elementos metalicos son hierro
cobre ,
aluminio ,
niquel y titanio mientras que como elementos no metalicos
podriamos mencionar al carbono.
Los materiales de cerámica , como los ladrillos , el vidrio la loza ,
los ailantes y los abrasivos , tienen escasas conductividad tanto
electrica como termica y aunque pueden tener buena resistencia y
dureza son deficientes en ductilidad , conformabilidad y resistencia al
impacto..
Polimeros , en
estos se incluyen el caucho (el hule) , los plásticos
y muchos tipos de adhesivos . Se producen creando grandes
estructuras
moleculares apartir de moléculas orgánicas
obtenidas del petroleo o productos agrícolas .
Fases componentes de un sólido desde su estructura
intermolecular
Una sustancia pura como el agua puede
existir en las fases sólido, liquido y gas, dependiendo
de las condiciones de temperatura y
presión. Un ejemplo familiar para todos de
dos fases de una sustancia pura en equilibrio es
un vaso de agua con cubos
de hielo. En este caso el agua,
sólida y liquida, da lugar a dos fases distintas separadas
por una fase limite, la superficie de los cubos de hielo. Durante
la ebullición del agua, el agua
líquida y el agua vapor son dos fases en equilibrio.
Una representación de las fases acuosas que existen bajo
diferentes condiciones de presión y
temperatura se
muestra en
la
En el diagrama de
fases presión-temperatura (PT} del agua existe un punto
triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura
(0,0098 0C) donde las fases sólida, liquida y
gaseosa coexisten. Las fases liquida y gaseosa existen a lo largo
de la línea de vaporización y las fases
líquida y sólida a lo largo de la línea de
congelación, como se muestra en la
Figura 8.1. Estas lineas son lineas de equilibrio entre dos
fases.
El díagrama de fases en equilibrio (PT) se puede construir
también para otras sustancias puras. Por ejemplo, el
diagrama de
fases de equilibrio PT del hierro puro se
muestra en la Figura 8.2. Una diferencia fundamental de este
diagrama de fases es que tiene tres fases sólidas
distintas y separadas: Fe alfa (~, Fe gamma (y) y Fe delta
(~).
El hierro ~ y <5 tiene estructuras
cristalinas BBC, mientras el hierro y tiene una estructura FCC.
Las fases limite en el estado
sólido tienen las mismas propiedades que entre liquido y
sólido. Por ejemplo, bajo condiciones de equilibrio, el
hierro ~ y y puede existir a una temperatura de 910 0C
y una atmósfera de presión. Por encima de
910 0C sólo existe la fase y, y por debajo de
910 0C sólo existe la fase ~ Hay también
tres puntos triple en el díagrama PT del hierro donde las
tres fases diferentes coexisten: (1) líquido, vapor Fe
<5; (2) vapor, Fe <5 y Fe y; y (3) vapor, Fe y y Fe
~.
3. Regla de las fases de
GIBBS
A partir de consideraciones termodinámicas, J. W.
Gibbs1 obtuvo una ecuación que permitía
calcular el número de fases que pueden coexistir en
equilibrio en cualquier sistema. Esta
ecuación, llamada regla de fases de Gibbs, es:
P+F= C+2
donde:
P = número de fases que pueden coexistir en el sistema elegido C
= número de componentes en el sistema
F = grados de libertad
Normalmente, un componente C es un elemento, compuesto, o
solución en el sistema. F son los grados de libertad, es
decir, el número de variables
(presión, temperatura y composición) que se pueden
cambiar independientemente sin variar el número de fases
en equilibrio en el sistema elegido.
Consideremos la aplicación de la regla de Gibbs
al diagrama de fases presión-temperatura PT del agua pura
(Fig. 8.1). En el punto triple coexisten tres fases en
equilibrio, y como hay un componente en el sistema (agua), se
puede calcular el número de grados de libertad:
P+F=C+2
3 +F= 1+2
F = O (cero grados de libertad)
Como ninguna de las variables
(presión o temperatura) se puede cambiar e incluso
manteniendo las tres fases de coexistencia, el punto triple es un
punto invariante.
Consideremos ahora un punto de la curva de congelación
sólido-liquido de la Figura 8.1. En cualquier punto de esa
línea hay dos fases que coexisten. Así, aplicando
la regla de fases,
2+ F= 1+2
F = 1 (un grado de libertad)
Este resultado nos indica que tenemos un grado de
libertad, y así, una variable (T o P) se puede cambiar
manteniendo aun un sistema con dos fases que coexisten. Por
tanto, si se específica una presión determinada,
sólo hay una temperatura en la que las fases sólida
y líquida coexisten. Para un tercer caso, consideremos un
punto, dentro de una fase única, en el diagrama de fases
PT del agua. Sólo habrá una fase presente (P = 1),
y sustituyendo en la ecuación de la regla de las
fases:
1 +F= 1+2
F = 2 (dos grados de libertad)
Este resultado nos indica que pueden ser cambiadas dos
variables independientemente (presión y temperatura), y el
sistema permanecerá en una única fase.
La mayor parte de los diagramas de fase
binarios usados en Ciencia de
Materiales son diagramas
temperatura-composición,
en los que la presión se mantiene constante, normalmente a
una atm. En este
caso, tenemos la regla de fases condensada, dada por
P+F=C+ 1 (8.la)
Sistemas de aleaciones
isomorfas binarias
Consideremos ahora una mezcla o aleación de dos metales en vez de
sustancias puras. Una mezcla de dos metales se llama
aleación binaria y constituye un sistema de dos
componentes, puesto que cada elemento metálico en una
aleación se considera un componente separado. Así,
el cobre puro es un sistema de un único componente,
mientras que una aleación de cobre y níquel es un
sistema de dos componentes. Algunas veces un componente en la
aleación se considera también un componente
separado. Por ejemplo, aceros de carbono
ordinario que contienen principalmente hierro y carburo se
consideran sistemas de dos
componentes.
En algunos sistemas binarios metálicos, los dos
componentes son completamente solubles entre sí, tanto en
estado
sólido como liquido. En estos sistemas sólo existe
un único tipo de estructura cristalina para todas las
composiciones de los componentes y, por tanto, se llaman sistemas
isomorfos. En relación a los dos elementos que se
disuelven completamente entre si, normalmente satisfacen una o
más de las siguientes condiciones formuladas por
Hume-Rothery1 y conocidas como reglas de solubilidad
de sólidos de Hume-Rothery:
1. Las estructuras cristalinas de cada elemento de la muestra
deben ser iguales.
2. El tamaño de cada uno de los dos elementos no deben
diferir en más del 15 por 100.
3. Los elementos no deben formar compuestos entre si. No debe
haber diferencias apreciables en las electronegatividades de los
dos elementos.
4. Los elementos deben tener la misma valencia.
Todas las reglas de Hume-Rothery no son siempre
aplicables para todos los pares de elementos que presentan
solubilidad sólida.
Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación
binaria es el sistema cobre-níquel. Un diagrama de fase de
este
sistema con la temperatura como ordenada y la composición
química en
tanto por 100 en peso, como abscisa, se muestra en la Figura 8.3.
Este diagrama se ha determinado para un sistema que se
enfría lentamente o en condiciones de equilibrio con la
presión atmosférica y no tiene aplicación
para aleaciones que
se enfrían rápidamente en el rango de la
temperatura de solidificación. El área sobre la
línea superior del diagrama, llamada liquidus, corresponde
a la región de estabilidad de la fase líquida, y el
área por debajo de la línea inferior, o solidus,
representa la región de estabilidad para la fase
sólida. Entre ambas líneas se representa una
región de dos fases donde liquido y sólido
coexisten.
En la región de una sola fase de solución
sólida ~, tanto la temperatura como la composición
han de ser especificadas si se quiere situar un punto en el
diagrama de fases. Por ejemplo, a la temperatura de 1050
0C y 20 por 100 de Ni, se especifica el punto a del
diagrama de fases Cu-Ni de la Figura 8.3. La microestructura de
la solución sólida ~ a esta temperatura y
composición aparece como la de un metal puro. Es decir, el
único rasgo observable en el microscopio
óptico serán los límites de
grano. Sin embargo, debido a que la aleación es una
solución sólida del 20 por 100 de Ni en Cu,
ésta tendrá mucha más dureza y resistividad
eléctrica que el cobre puro.
En la región entre las líneas liquidus y
solidus, ambas fases existen. La cantidad de cada fase presente
depende de la temperatura y la composición química de la
aleación. Consideremos una aleación de 53 por 100
en peso en Ni, 47 por 100 en peso en Cu a 1300 0C
(Fig. 8~3). Puesto que esta aleación contiene las fases
líquida y sólida a 1300 0C, ninguna de
estas fases puede tener la composición promedio de 53 por
loo Ni y 47 por 100 Cu. La composición de las fases
líquida y sólida se puede determinar al dibujar una
isoterma desde la línea de liquidus a la de solidus a 1300
0C, y luego bajar verticales hasta el eje horizontal
de las composiciones. La composición de la fase
líquida (w1) a 1300 0C es 45 por 100
en peso de Ni y la de la fase sólida (w,> es del 58 por
100 en peso de Ni, como indica la intersección de las
líneas verticales de trazos con el eje de
composición.
Los diagramas binarios de equilibrio para componentes
que son completamente solubles entre si en el estado
sólido, se pueden construir a partir de una serie de
curvas de enfriamiento liquido-sólido, como se muestra
para el sistema Cu-Ní en la Figura 8.4.
Las curvas de enfriamiento para metales puros muestran
horizontales de estabilización térmica en sus
puntos de solidificación, como muestra la Figura 8.4a para
el cobre y níquel puros en AB y CD. Las
soluciones
sólidas binarias presentan cambios de inclinación
en sus curvas de enfriamiento en las líneas liquidus y
solidus, como muestra la Figura 8.4a con composiciones de 80 por
100 Cu-20 por 100 Ni, 50 por 100 Cu-50 por 100 Ni, y 20 por 100
Cu-80 por 100 Ni. Los cambios de inclinación
L5, L2 y L3 en la Figura 8.4a
corresponden a los puntos de la línea líquidus
L5, L2 y L3 de la Figura 8.4b.
Análogamente, los cambios de pendiente de S1,
S2 y S3 de la Figura 8.4a se corresponden
con los puntos de la línea sólidus S1,
S2 y S3 de la Figura 8.4b. Para más
exactitud en la construcción del diagrama de fase del
Cu-Ni, se pueden calcular más curvas de enfriamiento de
aleaciones con composiciones intermedias.
4. Liga metálica de
un material y enlaces existente para su
configuración
Enlaces metálicos
En metales en estado
sólido , los átomos se encuentran empaquetados
relativamente muy juntos en una ordenación
sistemática o estructura cristalina . Por ejemplo la
disposición de los átomos de cobre en el cobre
cristalino consiste que los átomos están tan juntos
que sus electrones externos de valencia son atraídos por
los núcleos de sus numeroso vecinos . En el caso del cobre
sólido cada átomo
está rodeado por otros 12 átomos más
próximos . Los electrones de valencia no están por
lo tanto asociados férreamente a un núcleo en
particular y así es posible que se extiendan entre los
átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o
gas
electrónico. Los átomos en un enlace
metálico sólido se mantienen juntos por enlace
metálico para lograr un estado de más baja
energía ( o más estable) . Para el enlace
metálico no hay restricciones sobre pares
electrónicos como en el enlace covalente o sobre la
neutralidad de carga como en el enlace iónico . En el
enlace metálico los electrones de valencia más
externos de los átomos son compartidos por muchos
átomos circundantes y de este modo , en general , el
enlace metálico no resulta direccional
Fuerzas de van der Waals
Excepto en un gas muy dispersado las moléculas ejercen
atracciones y repulsiones entre sí . Estas proceden
fundamentalmente de interacciones dipolo-dipolo . Las
moléculas no polares se atraen entre sí mediante
interacciones débiles dipolo-dipolo llamadas fuerzas de
London que surgen como consecuencia de dipolos inducidos en una
molécula por otra. En este caso los electrones de una
molecula son debilmente atraídos hacia el nucleo de otra
pero entonces los electrones de esta son repelidos por los
electrones de la primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y , en consecuencia , un dipolo
incluido . Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas
y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de van der Waals
. La distancia entre las moléculas juega un importante
papel en la
intensidad de dichas fuerzas . Se llama radio de van der
Waals a la distancia a la que la fuerza
atractiva es máxima .Cuando dos átomos se aproxima
a distancias mas cortas que el radio de van der
Waals , se desarrollan fuerzas repulsivas entre los
núcleos y las capas electrónicas . Cuando la
distancia entre dos moléculas es mayor al radio de van der
Waals las fuerzas atractivas entre las moléculas
disminuyen.
Enlace iónico
Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy
electropositivos (metálicos) y elementos muy
electronegativos (no metales) . En el proceso de
ionización los electrones son transferidos desde los
átomos de los elementos electropositivos a los
átomos de los elementos electronegativos , produciendo
cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente
. Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de
atracción electrostática o culombiana entre iones con
carga opuesta . Los enlaces ionicos se forman entre iones
opuestamente cargados por que se produce una disminución
neta de la energía potencial para los iones
enlazados
Enlace covalente
Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace
covalente . Mientras el enlace iónico involucra
átomos muy electropositivos y electronegativos , el enlace
covalente se forma entre átomos con pequeñas
diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos
en la tabla
periódica . En el enlace covalnete los átomos
generalmente comparten sus electrones externos s y
p como otros átomos , de modo que cada átomo
alcanza la configuración de gas noble. En un enlace
covalente sencillo cada uno de los átomos contribuye con
un electrón a la formación del par de electrones de
enlace , y las energías de los dos átomos asociadas
con el enlace covalente son menores (mas estables) como
consecuencia de la interacción de los electrones . En el
enlace covalente , se pueden formar enlaces mútiples de
pares de eletrones por un átomo consigo mismo o con otros
átomos.
Redes cristalograficas existentes
Sistemas cristalográficos
Los cristalógrafos han
demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de
celda unidad para crear todas las redes puntuales . La mayor
parte de etos siete sistemas cristalinos presentan variaciones de
la celda unida básica . A. J. Bravais mostró que
catorce celdas unidad estándar podian describir todas las
estructuras reticulares posibles .Hay cuatro tipos de celdas
unidad :
- Sencilla
- Centrada en el cuerpo
- Centrada en las caras
- Centrada en la base
En el sistema cúbico hay tres tipos de celdas
unidad : cúbica sencilla , cúbica centrada en el
cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el sistema
ortorrómbico están representados los cuatro tipos .
En el sistema tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el
cuerpo. En el sistema monoclínico tiene celdas unidad
sencilla y centrada en la base , y los sistemas
romboedríco hexagonal y triclínico, tienen solo una
celda unidad .
Estructuras cristalográficas
La mayoría de los metales elementales alrededor del 90 %
cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente
enpaquetadas : cúbica centrada en el cuerpo (BCC) ,
cúbica centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta
(HCP) . La estructura HCP es una modificación más
densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla . La mayor
parte de los metales cristalizadas en esas estructuras densamente
enpaquetadas debido a que se libera energía a medida que
los átomos se apróximan y se enlazan cada vez
más estrechamente entre sí . De este modo , dichas
estructuras densamente enpaquetadas se encuentran es
disposiciones u ordenamientos de energía cada vez
más baja y estable Examinemos ahora detalladamente la
disposición de los átomos en las celdas unidad de
las tres principales estructuras cristalinas . Aunque solo sea
una aproximación consideremos a los átomos de estas
estructuras como esferas rígidas. La distancia entre los
átomos en las estructuras cristalinas puede ser
determinado experimentalmente por análisis de rayos X. Por
ejemplo , la distancia interatómica entre dos
átomos de aluminio en un fragmento de aluminio puro a 20
0 C es 0.2862 nm.
Se considera que el radio del aluminio en el aluminio metal es la
mitad de la distancia interatómica , o 0.143
nm.
Planos cristalinos
Dirección en la celda
A menudo , es necesario referirnos a posiciones
específicas en las redes cristalinas . Esto es
especialmente importante para metales y aleaciones con
propiedades que varían con la orientación
cristalográfica . Para cristales cúbicos los
indices de las direcciones cristalográficas son los
componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo
de cada eje coordenado y reducido a los enteros mas
pequeños .
Para indicar en un diagrama la dirección en una celda cúbica
unitaria dibujamos un vector de dirección desde el origen
(que es normalmente una esquina de la celda cúbica) hasta
que sale la superficie del cubo .Las coordenadas de
posición de la celda unidad donde el vector de
posición sale de la superficie del cubo despues de ser
convertidas a enteros son los indices de dirección .Los
indices de dirección se encierran entre corchetes sin
separación por comas.
Planos en una celda unitaria
Las superficise cristalinas en celdillas unidad HCP pueden ser
identificadas comúnmente utilizando cuatro indices en
lugar de tres. Los indices para los planos cristalinos HCP
,llamados indices Miller-Bravais, son designados por las letras h
, k , i , l y encerrados entre parentesis ( hkil ) . estos
indices hexagonales de 4indices estan basados en un sistema
coordenado de 4 ejes .
Existen 3 ejes basicos , a1 , a2 ,
a3, que forman 1200 entre si. El cuarto eje
o eje c es el eje vertical y esta localizado en el centro de la
celdilla unidad . La unidad a de medida a lo largo de los ejes
a1 a2 a3 es la distancia entre
los átomos a lo largo de estos ejes .la unidad de medida a
lo largo del eje es la altura de la celdilla unidad . Los
recíprocos de las intersecciones que un plano cristalino
determina con los ejes , a1 , a2 ,
a3 proporciona los indices h , k e i mientras el
recíproco de la intersección con el eje c da el
índice l
Notación para planos
Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes
para esta celdilla unidad puesto que el plano basal de la
celdilla HCP es pralelo a los ejes , a1 ,
a2 , a3 las intersecciones de este plano
con estos ejes serán todas de valor infinito
. Así , a1 = ¥ , a2 = ¥ a3 =
¥ El eje c , sin
embargo , es unico puesto que el plano basal superior
intersecciona con el eje c a una distancia unidad . Tomando los
reciprocos de estas intersecciones tenemos los indices de
Miller-Bravais para el plano Basal HCP. Así , H =0 K=0 I =
0 y L=1. El plano basal es , por tanto un plano
cero-cero-cero-uno o plano (0001) .
Importancia del indice de Milller
A veces es necesario referirnos a planos reticulares
específicos de átomos dentro de una estructura
cristalina o puede ser interesante conocer la orientación
cristalográfica de un plano o grupo de
planos en una red
cristalina. Para identificar planos cristalinops es estructuras
cristalinas cúbicas se usa la notación de Miller .
Los indices de Miller de un plano cristalino estan definidos como
los reciprocos de las intersecciones , que el plano determina con
los ejes x , y , z de los tres lados no paralelos del cubo
unitario .Las aristas de una celda cúbica unitaria
presentan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos
de una red se miden
en base a estas longitudes unitarias .El procedimiento de
determinación de los indices de Miller para un plano de un
cristal cúbico es el siguiente:
- Escoger un plano que no pase por el origen en
(0,0,0) - Determinar las interacciones del plano en base a los
ejes x,y,z cristalográficos para un cubo unitario ,
estas interacciones pueden ser fraccionarias - Construir los recíprocos de estas
intersecciones
Despejar fracciones y determinar el conjunto mas
pequeño de números esteros que estén en la
misma razón que las intersecciones. Esos números
enteros son los índices de Miller de un plano
cristalográfico y se encierran entre paréntesis sin
usar comas. La notación (hkl) se usa para indicar
índices de Miller en sentido general , donde h ,k, y l son
los indices de Miller para un plano de un cristal cúbico
de ejes x,y,z respectivamente.
Es sin duda impresionante la manera en la que han
evolucionado los materiales y lo importante que es conocer sus
propiedades no tan solo físicas o mecánicas sino
también a otro nivel como bien podría ser a nivel
atómico ya que de esto depende en buena parte el
comprender como habrá de comportarse un material en
ciertas condiciones y de esa manera conjeturar algunas características como su dureza o su
resistencia a algunos esfuerzos.
6. Bibliografía
Fundamentos de la ciencia e
ingenieria de los materiales
William F. Smith 2a Edición
McGraw Hill
Química orgánica
Ralph J. Fessenden y Joan S Fessenden
Grupo
Editorial Iberoamérica
Microsoft
Encarta 98 Encyclopedia
Autor:
Javier Rosas