Indice
1.
Principios fundamentales de la estructura cristalina de los
materiales
3. Estructuras
cristalinas
4. Planos cristalinos
5. Propiedades generales de los
Materiales.
1. Principios
fundamentales de la estructura
cristalina de los materiales
El enlace
químico entre átomos tiene lugar debido a la
disminución neta de la energía potencial de los
átomos en estado
enlazado .Esto significa que los átomos en estado
enlazado se encuentran en unas condiciones energéticas mas
estables que cuando están libres.
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.
3. Estructuras
cristalinas
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.
Alotropía
Muchos elementos y compuestos existen en mas de una forma
cristalina , bajo diferentes condiciones de temperatura y
presión
. Este fenómeno es determinado como polimorfismo o
alotropía . Muchos metales industrialmente importantes
como el hierro ,
titanium y cobalto experimentan transformaciones
alotrópicas a elevadas temperaturas a presión
atmosférica . El hierro existe
en ambas estructuras cristalinas BCC y FCC sobre un rango de
temperatura
que va desde la temperatura ambiente hasta
su punto de fusión a
1539 grados centígrados . El hierro alfa existe desde
–273 a 912 0 C y tiene la estructura cristalina
BCC . El hierro gama existe desde 912 hasta 1394 0 C y
tiene una estructura cristalina FCC .
El hierro delta existe desde 1394 hasta 1539 0 C , que
es el punto de fusión del
hierro. La estructura cristalina del hierro delta es
también BCC pero con una constante de red mayor que la del hierro
alfa.
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
índices 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 después de ser convertidas a enteros
son los índices de dirección. Los índices de
dirección se encierran entre corchetes sin
separación por comas.
Planos en una celda unitaria
Las superficies cristalinas en celdillas unidad HCP pueden ser
identificadas comúnmente utilizando cuatro índices
en lugar de tres. Los índices para los planos cristalinos
HCP, llamados índices 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 paralelo 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 único 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.
5. Propiedades generales
de los Materiales.
Propiedades físicas
Color
Impresión que produce en la vista la luz y que
varía según su naturaleza propia
y el modo como es difundida o reflejada por los cuerpos. Color de recocido
o revenido , color que cobra
un acero despues de
haber sido templado y recocido y que depende de la temperatura
alcanzada en esta última operación. En resumen se
puede decir que el color no es otra cosa sino la percepción
de la luz reflejada por
los objetos.
Brillo
Brillo : Lustre o resplandor . Cociente de la intensidad luminosa
de una superficie – en una dirección dada –
por el area proyectada de dicha superficie sobre un plano
perpendicular a la referida dirección .La unidad de brillo
es la candela por cm2
Densidad.
Es frecuente confundir las nociones de masa especifica y densidad
, por que en las aplicaciones de la vida corriente ambas tienen
sensiblemente el mismo valor .
Así , la masa específica del hierro es 7.8
g/cm3 . Para obtener su densidad se ha de dividir esta
masa por la masa de un cm3 de agua a
40 y , por ser esta muy próxima de un gramo ,
se obtiene finalmente como densidad el hierro, el mismo valor
práctico que para su masa , o sea 7.8.
Propiedades mecánicas
Ductilidad
Propiedad de
los metales y aleaciones que
puedan ser aplastados y estirados fácilmente sin que se
rompan en otras palabras permiten el alargamiento permanente
mediante tracción y una deformación en frío
que hasta cierto punto , se opone uteriormente a otras
deformaciones accidentales de las piezas
Elasticidad
Propiedad que
tienen los cuerpos deformados por una fuerza exterior de recobrar
su forma primitiva cuando cesa de obrar una fuerza aplicada sobre
ellos. La elasticidad es
muy diferente de un cuerpo a otro . Para cada sólido
existe un límite de elasticidad a
partir del cuál por ser excesiva la fuerza que le ha sido
aplicada la deformación persiste total o parcialmente .Es
conocida como la relación existente entre la magnitud de
las fuerzas externas que provocan el alargamiento elástico
de un sólido y el valor que alcanza dicho alargamiento .En
los cálculos de resistencia de
materiales siempre se tiene en cuenta dicho modulo para que en
ningún caso puedan alcanzar las piezas el límite de
elasticidad que provocaría la deformación o la
ruptura de las construcciones
Maleabilidad
Se dice que un metal es maleable debido a que puede ser reducido
a capas muy delgadas batiendolo con martilllo o laminandolo dicho
de otra forma que se puede moldear con facilidad .La maleabilidad
es , junto con la ductilidad una de las características que determinan la aptitud
de un metal a ser labrado por deformación ( el mas
maleable de todos los metales es el oro que puede ser reducido en
hojas de hasta una diezmilésima de milímetro de
espesor .La maleabilidad aumenta con la temperatura , y
así , el cinc , que es poco maleable a la temperatura
ambiente lo es
bastante a 100 grados. Es importante en metalúrgia saber a
que temperatura puede laminarse , forjarse o batirse un metal
para aprovechar la mejor maleabilidad sin que no obstante , pueda
deteriorar el calor
Plasticidad
Es lo opuesto a la elasticidad , de los cuerpos que al adquirir
determinada forma por efecto de una fuerza ejercida sobre ellos ,
la conservan indefinidamente cuando esta deja de
actuar
Tenacidad
Propiedad de los cuerpos que resisten a los esfuerzos de
tracción deformandose y estirandose antes de romperse .La
tenacidad de un metal se determina considerando los siguientes
factores: límite de elasticidad , carga de ruptura ,
alargamiento y estricción.
Resistencia
Fuerza que se opone al movimiento de
un cuerpo . Se dice que la resistencia de
los materiales ; parte de la mecánica que tiene por objeto determinar ,
entre otras cosas , las dimensiones que ha de tener las distintas
piezas de una construcción para que pueda llenar su
cometido y soportar los esfuerzos a que se han de hallar
sometidas sin romperse ni adquirir deformaciones permanentes
perjudiciales.
Frágilidad
Propiedad de los metales que se rompen por efecto de un choque
sin experimentar ninguna deformación previa . Nada tiene
que ver con su resistencia , dado que esta concierne su aptitud a
romperse por efecto de un esfuerzo y no de un choque .Por lo
general los tratamientos mecánicos (laminado ) disminuyen
la fragilidad del metal mientras que los tratamientos
térmicos si bien lo endurecen también lo vuelven
más quebradizo.
Dureza.
Calidad de los
cuerpos duros de los materiales que no se rayan o dejan penetrar
con facilidad. Existen no pocos métodos
para determinar la dureza de lo cuerpos la escala de Mohs
sirve para los minerales en
metalurgia se
ha generalizado en método de
Brinell en el cual por medio de una prensa de
aplicación contra la probeta una bola de acero
durísima la cual penetra mas o menos profundamente en la
pieza según sea la dureza de la misma y deja su superficie
una oquedad de perfil esférico .Del diametro de la orilla
se desprende con la ayuda de abanicos apropiados, la dureza del
metal. En el método de
Vicars , la bola de acero es reemplazada por un diamante de forma
piramidal .
Autor:
Javier Rosas