Estructura de los materiales

Estructura de los materiales

1. Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades

   • Estructura cristalina
     • Estructura cristalina: La estructura cristalina es uno de los estados sólidos que pueden adoptar en la naturaleza los átomos, iones o moléculas, el cual se caracteriza por poseer un alto ordenamiento espacial.
       • ¿Qué promueve o qué fuerza es responsable de esta simetría?
         • Las partículas no están solas, sino que interactúan unas con otras. Estas interacciones consumen energía y afectan la estabilidad de los sólidos, de modo que las partículas buscan acomodarse para reducir al mínimo esta pérdida energética.
     • Para no confundir algunos términos debemos de saber diferenciar bien entre una estructura amorfa y una cristalina
       • Estado amorfo: Las partículas componentes del sólido se agrupan al azar
       • Estado cristalino: Los átomos (moléculas o iones) que componen el sólido se disponen según un orden regular. Las partículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geométrica tridimensional.
     • Según el tipo de enlace atómico, los cristales pueden ser de tres tipos:
       • Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros y muy frágiles, conductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad. Ejemplo: NaCl (sal común)
       • Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de fusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores de la electricidad. No sufren deformación plástica (es decir, al intentar deformarlos se fracturan). Ejemplo: Diamante.
       • Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos. No son tan duros como los anteriores, aunque si maleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre.

2. Materiales metálicos

   • La estructura de los materiales es cristalina,
     • ¿Por qué razón es cristalina?
       • Los materiales metálicos: Emplea electrones deslocalizados para formar un enlace fuerte no direccional entre los átomos.
       • El empaquetamiento de los átomos siguiendo una determinada estructura cristalina obliga a que sus electrones de valencia sean atraídos por los núcleos de los átomos circundantes
       • Esto hace que estos electrones no estén vinculados a un único núcleo y, por tanto, permite que se extiendan entre los átomos a modo de nube electrónica cargada con densidad electrónica reducida
     • Estos fenómenos electrónicos combinados permiten a los metales adquirir sus diferentes propiedades:
       • • Elasticidad: capacidad de recuperar la forma una vez ha cesado la carga que los ha sacado de su zona de equilibrio. Siempre, habrá de realizarse el esfuerzo dentro de su zona elástica sin sobrepasar el punto de límite elástico a partir del cual, la pieza quedará deformada permanentemente
         • • Plasticidad: Capacidad para deformarse permanentemente sin alcanzar la fractura. La ductilidad y la maleabilidad son consecuencia de esta propiedad
           • • Dureza: resistencia a ser rayado o penetrado que presenta un material (metal, en este caso). Depende directamente de la cohesión a nivel molecular.
             • • Cohesión: Resistencia que presentan los átomos a separarse. En el caso de metales, los enlaces permiten ciertas holguras en sus distancias favoreciendo la capacidad elástica.
               • • Tenacidad: Capacidad que permite a las piezas evitar la rotura por efecto de una fuerza externa
                 • • Fragilidad: es la propiedad opuesta a la tenacidad. Los materiales frágiles, presentan una zona de plasticidad muy reducida de forma que su límite elástico y su punto de rotura se encuentran muy próximos.
                   • • Resiliencia: Es la energía que puede absorber el material en una rotura provocada por un impacto.

3. Ferrosos y no ferrosos

   • Ferrosos
     • Los materiales ferrosos o férricos son aquellos cuyo constituyente base es el hierro (Fe).
       • Sus aplicaciones son diversas: estructuras de todo tipo, máquinas herramientas, vehículos, etc. Características principales
         • • Superficie brillante, de color blanco azulado
           • • Punto de fusión 1535 ºC, aunque disminuye al aumentar el contenido de carbono
             • • Elevada conductividad al calor y a la electricidad
               • • Elevada resistencia mecánica, maleabilidad y ductilidad.
       • El hierro es un metal químicamente activo (se combina con halógenos, S, P, C y Si) y expuesto al aire se corroe formando el orín (Fe2O3·H2O).
         • Existen cuatro variedades alotrópicas del hierro (diferentes tipos de estructuras cristalinas) estables a diferentes intervalos de temperatura y de contenido en carbono, que condicionan sus propiedades.
   • No ferrosos
     • son todos aquellos que carecen o tienen cantidades despreciables de hierro.
       • . Estos, en diferentes proporciones másicas, son utilizados para la creación de aleaciones que exhiban mejores propiedades físicas que los metales individuales.
         • Así, sus estructuras cristalinas e interacciones metálicas son la piedra angular de las aplicaciones de las aleaciones no ferrosas
           • El bronce es una aleación no ferrosa; principalmente consiste de una mezcla dorada de cobre y estaño. El cobre de la aleación se oxida y forma CuO, compuesto que ennegrece su superficie dorada. En ambientes húmedos, el CuO se hidrata y absorbe dióxido de carbono y sales para formar compuestos azul-verdosos.
           • No obstante, en condiciones normales la mayoría de los metales posee tres estructuras cristalinas establecidas por sus enlaces metálicos: hexagonal compacta (hcp), cúbica compacta (ccp) y cúbica centrada en el cuerpo (bcc).

4. Puros y aleaciones

   • • Enlace iónico Para que pueda darse este enlace, uno de los átomos debe ceder electrones y, por el contrario, el otro debe ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que pasan a ser cationes y aniones. El ejemplo típico es el cloruro da sodio, en donde para formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta positiva y un cloro con carga neta negativa. 3.1.2
     • Los aceros inoxidables y los hierros fundidos.
   • • Enlace covalente En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones. Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace covalente también es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que es muy costoso, energéticamente hablando, romper estas moléculas en sus componentes básicos.

5. Materiales no metálicos.

   • El uso de materiales no metálicos se ha incrementado mucho en los últimos 50 años. Las ventajas normales que se buscan son peso ligero, resistencia ala corrosión, resistencia a la temperatura, resistencia dieléctrica y facilidad de manufactura.
     • Orgánicos e inorgánicos
       • La materia orgánica: Está formada por moléculas fabricadas por los seres vivos. Son moléculas hechas a base de carbono, suelen ser moléculas grandes, complejas y muy diversas, como las proteínas, hidratos de carbono o glúcidos, grasas o ácidos nucleicos
       • Está formada por átomos enlazados entre sí, donde hay unión entre las moléculas, dentro de un cristal. Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.
         • Contienen células de vegetales o animales
           • Pueden disolverse en líquidos orgánicos como el Alcohol o los tetracloruros
             • No se disuelven en el agua
               • No soportan altas temperaturas
         • Algunos de los representantes de este grupo son:
           • Plásticos
             • Productos del petróleo
               • Madera
                 • Papel
                   • Hule
       • La materia inorgánica: No está hecha de carbono y no son fabricadas por los seres vivos, sino por la naturaleza (en reacciones químicas). Son moléculas pequeñas y simples.
         • En la estructura cristalina de los materiales inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza.
           • Características.
             • No proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón
               • Se pueden disolver en el agua.
                 • Resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas
           • Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son:
             • • Los minerales
               • • El cemento
                 • • La cerámica
                   • • El vidrio
                     • • El grafito (carbón mineral)
     • Polímeros
       • Los polímeros tienen una amplia variedad de propiedades, sobre todo un peso reducido, una resistencia y rigidez relativamente bajas, una buena resistencia a la corrosión dieléctrica y un costo bajo por unidad de volumen.
         • Los polímeros son moléculas de cadena larga, de materiales orgánicos o de compuestos basados en carbono. (También hay una familia de compuestos poliméricos basados en el silicio.)
           • La fuente de la mayor parte de los polímeros es el petróleo o el carbón, que contienen el carbono o los hidrocarburos necesarios para la creación de los polímeros.
           • Los polímeros se dividen en dos clases: termoplásticos y termoestables

6. Cerámicos

   • Los materiales cerámicos vienen encontrando más y más aplicaciones en ingeniería y se está dedicando mucho esfuerzo a la creación de nuevos compuestos de ese tipo.
     • . Los materiales cerámicos de ingeniería suelen ser compuestos de elementos metálicos y no metálicos.
       • Pueden ser únicamente un óxido de un metal, mezclas de óxidos metálicos, carburos, boruros, nitruros y otros compuestos como el Al203, el MgO, el SiC y el Si3N4.
         • En aplicaciones como bloques fundidos para motor, pistones y otras piezas de motor, se han hecho intentos para reemplazar los metales tradicionales por productos cerámicos.
     • . Las propiedades principales de los materiales cerámicos son elevada dureza y fragilidad, alta resistencia a la temperatura y a productos químicos, elevada resistencia a la compresión y superior resistencia dieléctrica, así como costo y peso reducidos
       • . Los materiales cerámicos son demasiado duros para maquinar mediante técnicas convencionales, y por lo general son formados por compactación de polvos y después quemados o sinterizados para formar enlaces entre partículas, lo que incrementa su resistencia

7. Materiales compuestos

   • La mayor parte de los materiales compuestos son artificiales, aunque algunos, como la madera, ocurren de manera natural
     • . La madera es un compuesto de largas fibras de celulosa, sujetas en una matriz resinosa de lignina.
   • Los compuestos artificiales suelen ser una combinación de algún material resistente y fibroso, como el vidrio, el grafito o las fibras de boro, cementado en una matriz de resina, como un epoxi o un poliéster.
     • El material de fibra de vidrio utilizado en barcos y otros vehículos es un ejemplo común de un compuesto de poliéster reforzado con fibra de vidrio (GFRP).
       • Las propiedades direccionales del material compuesto se pueden adecuar a cada aplicación mediante la organización de las fibras en distintas posiciones, paralelas, entrelazadas de manera aleatoria o en ángulos específicos, o enrolladas alrededor de un mandril.
       • Además, en ciertos materiales compuestos es posible diseñar cierta resistencia a la temperatura y a la corrosión.

8. Tendencias de nanotecnología: materiales y sus características

   • El concepto de Nanotecnología engloba aquellos campos de la ciencia y la técnica en los que se estudian, se obtienen y/o manipulan de manera controlada materiales, sustancias y dispositivos de muy reducidas dimensiones, en general inferiores a la micra, es decir, a escala nanométrica
     • el ámbito de la Nanotecnología incluye, además de las áreas del saber relacionadas con su origen, tanto de la Física, la Química, la Ingeniería o la Robótica, otros campos en su comienzo más alejados, pero para los que ya hoy en día tiene una gran importancia, como son la Biología, la Medicina o el Medio Ambiente.
       • De esta manera, algunos ejemplos de aplicaciones de las distintas ramas de la nanotecnología son:
         • sistemas de magneto
           • resistencia gigante para almacenamiento magnético de la información
             • dispositivos nanoelectrónicos
               • recubrimientos para mejora de técnicas de imagen
                 • catalizadores nanoestructurados
                   • biosensores y biodigestores
                     • nanosistemas para administración de fármacos
                       • cementos, pinturas especiales
                         • sistemas para purificación y desalinización de agua.