Unidad 1 :“Estructura, arreglos y movimiento de los átomos”

CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES

Prácticamente cada segmento de nuestra vida cotidiana está influido en mayor o menor grado por los materiales, como por ejemplo el transporte, la vivienda, la vestimenta, la comunicación, la recreación y la alimentación.

Importancia y clasificación de los materiales en Ingeniería

Se han desarrollado decenas de miles de materiales distintos con características muy especiales para satisfacer las necesidades de nuestra moderna y compleja sociedad; se trata de los metales, plásticos, vidrios y fibras.

Importancia y clasificación de los materiales en Ingeniería

El progreso de muchas tecnologías, que aumentan la confortabilidad de nuestra existencia, va asociado a la disponibilidad de materiales adecuados. El avance en la comprensión de un tipo de material suele ser el precursor del progreso de una tecnología.

Importancia y clasificación de los materiales en Ingeniería

El progreso de muchas tecnologías, que aumentan laconfortabilidad de nuestra existencia, va asociado a ladisponibilidad de materiales adecuados. El avance en lacomprensión de un tipo de material suele ser elprecursor del progreso de una tecnología. Por ejemplo,la fabricación de automóviles fue posible por laaparición de un acero idóneo y barato o de algúnsustituto comparable. Actualmente los adelantoselectrónicos más sofisticados se basan en componentesdenominados materiales semiconductores.

A) Metales:

Los metales y las aleaciones que incluyen al acero,aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio,cobre, níquel, entre algunos; tienen comocaracterísticas una adecuada conductividad térmica yeléctrica, además resistencia mecánica, alta rigidez,ductilidad y resistencia al impacto.

B) Cerámicos:

Cerámico.- Material inorgánico que puede ser cristalinoy/o amorfo. Los materiales de cerámica como ladrillos,el vidrio, la losa, los aislantes y los abrasivos, tienenescasa conductividad térmica y eléctrica, tiene buenaresistencia y dureza, son deficientes en ductilidad yresistencia al impacto. Por lo anterior son menos usadosen aplicaciones estructurales

C) Polímeros:

El caucho, el plástico y muchos tipos de adhesivos, seproducen creando estructuras moleculares a partir delpetróleo en un proceso llamado polimerización. Lospolímeros tiene baja conductividad térmica y eléctrica,poca resistencia mecánica y a altas temperaturas.

D) Materiales Compuestos:

Están construidos por dos o más materiales quegeneran propiedades que uno solo no puede dar, comole concreto, el triplay y la fibra de vidrio.

Ejemplo:

*Grafito en matriz epoxica.- Se aplica en componentesaeronáuticos por su propiedad adecuada resistencia-peso.

ARREGLOS ATÓMICOS E IÓNICOS

Los arreglos atómicos de iones desempeñan un papel importante en la determinación de la microestructura y

por tanto en las propiedades de un material.

Clasificación de los materiales en base a su arreglo atómico o iónico

En los diferentes estados de la materia se pueden encontrar cuatro formas en que se ordenan los átomos o iones.

Arreglos atómicos

a) Sin orden es aquel en que losátomos o iones no tienen arregloordenado, es el caso de los gasesmonoatómicos, como el argón o elplasma que se forma en un tubo de luzfluorescente, (estos materiales llenantodo el espacio que los contiene).

Niveles de ordenamiento atómico en los materiales: (a) los gasesmonoatómicos inertes no tienen ordenamiento regular de átomos. (b) y (c)Algunos materiales, que incluyen vapor de agua, nitrógeno gaseoso, silicioamorfo y vidrios de silicato, tienen orden de corto alcance. (d) Los metales,aleaciones y muchas cerámicas, así como algunos polímeros, tienenordenamiento regular de átomos o iones que se extiende a través delmaterial.

Muchos polímeros muestran también arreglos de cortoalcance, por ejemplo, el polietileno está formado porcadenas de átomos de carbono con dos átomos dehidrógeno fijos a cada uno de los carbonos.

Como el carbono tiene valencia 4 y los átomos de carbono ehidrógeno están unidos con enlaces covalentes, se produceuna estructura tetraédrica

arreglo tetraédrico de los enlaces C-H en el polietileno.

Orden de largo alcance

La mayoría de los metales, y aleaciones,

los semiconductores, los cerámicos y algunos polímeros tienen estructura cristalina donde los átomos o iones muestran orden de largo alcance.

El arreglo atómico abarca escalas mucho mayores de 100mm.

Los átomos o iones en estos materiales forman un patrónregular y repetitivo, semejante a una red en tresdimensiones. A estos arreglos también se les conoce comoredes cristalinas y a los materiales como materialescristalinos.

Si un material esta formado por un solo cristal grande, se lellama mono cristalino o mocristal, y se utilizan en muchasaplicaciones electrónicas y ópticas. (ejemplo chips, hasta de30 cm, de diámetro, mono cristales en forma de películasdelgadas, alabes de turbinas).

Fig 1-Muestra un monocristal de silicio.

Un material policristalino está formado por muchos cristales con diversas orientaciones en el espacio, a estos cristales más pequeños se les llaman granos.

(Fig. 1)

Micrografía de un acero inoxidable policristalino en el que se observan los granos y los límites de grano.

Cristales líquidos (LCD)

Los cristales líquidos son materiales poliméricos que tienenun orden especial. En cierto estado los polímeros de cristallíquido se comportan como materiales amorfos(semejantes a los líquidos), sin embargo cuando se lesaplica un estímulo externo (como un campo eléctrico, uncambio de temperatura), algunas moléculas de polímero sealinean y forman pequeñas regiones cristalinas.

Defectos e imperfecciones

Al analizar el término "imperfección de un material'', sepresupone de un error en la organización de dichomaterial, y muchas veces, también se enjuicia conalevosía y asumimos que dicha imperfección,relacionada con algún tipo de imagen de deformaciónque es visualmente perceptible, le atribuyen al materialel valor de obsoleto y no siempre es así.

El arreglo de los átomos o iones en los materialesdiseñados tiene imperfecciones o defectos.Frecuentemente éstos defectos tiene un efectoprofundo sobre las propiedades de los materiales, y nonecesariamente suceden a niveles macros, y muchasotras veces, tales errores suelen ser aprovechados en laaplicación de un material a una necesidad determinada.

Defectos puntuales

Los defectos puntuales son alteraciones odiscontinuidades de la red cristalina con respecto a laideal, provocadas por uno o varios átomos. Se originanpor el movimiento de átomos durante el calentamientoo procesado del material, introducción de impurezas opor aleación.

Estos defectos distorsionan la red a lo largo de cientosde átomos. Una dislocación que se propaga por elmaterial ordenado encontrará cerca del defecto puntualuna región estructural desordenada. Para continuar sumovimiento y vencer al defecto, la dislocación necesitaun esfuerzo mayor. Se incrementa por tanto laresistencia mecánica del material

Los defectos puntuales se pueden introducir por elmovimiento de los átomos o iones al aumentar laenergía por calentamiento, durante el procesamientodel material, por introducción de impurezas o pordopado. Los dopantes son elementos o compuestosque se agregan en forma deliberada y en cantidadesconocidas en lugares específicos de unamicroestructura, buscando un efecto benéfico en laspropiedades de dicho material.

Vacancia: se produce cuando falta un átomo o ión en su sitionormal en la red cristalina. Esta se origina durante lasolidificación a alta temperatura o como consecuencia de losdaños provocados por la radiación (intencional). En la ausenciade un átomo aumenta el desorden normal o entropía delmaterial, lo cual aumenta la estabilidad termodinámica de unmaterial cristalino. Todos los materiales cristalinos tienendefectos de vacancia.

Defecto Intersticial: Se forma cuando se inserta un átomo o iónadicional en la estructura cristalina en una posición normalmentedesocupada. Los átomos intersticiales son mayores que los huecosintersticiales que ocupan y menores que los átomos reticulares quelos rodean, es decir, aquellos que definirán su número decoordinación. Si hay dislocaciones en los cristales al tratar de moverestos tipoos de defectos, se encuentran con resistencia a sumovimiento, con lo que se vuelve difícil crear deformaciónpermanente en metales y aleaciones. La cantidad de átomos semantiene prácticamente constante a pesar del aumento térmico.

Efecto sustitucional: Cuando un átomo es sustituido con un tipodistinto de átomo o ión, los átomos sustitucionales ocupan el sitionormal en la red. Pueden ser mayores que los átomos o ionesnormales en la estructura cristalina, en cuyo caso se reducen losespacios interatómicos vecinos, o pueden ser menores, lo cualcausará que los átomos vecinos tengan distancias interatómicasmayores. Si el defecto sustitucional es mayor que los átomosnormales la red se comprime, si es menor la red se expande(tensión). El número de defectos sustitucionales no depende de latemperatura.

Otros defectos puntuales: Frenkel - es un par de defectos (intersticial+ vacancia) . En un cristal iónico, un ión salta su sitio normal a unsitio intersticial, dejando una vacancia. Y Schottky, es un par dedefectos (vacancia+vacancia). En un cristal iónico, faltasimultáneamente un anión y un catión.

Movimientos de átomos.

Aplicación de la difusión.

Difusión: Es el movimiento de los átomos en un material.Los átomos se mueven de una manera predecible,tratando de eliminar diferencias de concentración y deproducir una composición homogénea y uniforme.

La capacidad de los átomos y de lasimperfecciones para difundirse aumentaconforme se aumenta la temperatura, o losátomos incrementan su energía térmica.

Para que es necesario la difusión:

•Tratamiento térmico de los materiales,

•Manufactura de cerámicos.

•Solidificación de los materiales.

•Fabricación de transistores y celdas solares.

•Conductividad eléctrica de muchos cerámicos.

Difusión solido, liquido y gaseoso

Los gases: el movimiento de los átomos es relativamente veloz.

Los líquidos: los átomos poseen un movimiento más lento

Mecanismos de la Difusión Existen 2 tipos de mecanismos de difusión:

1. Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional.

Las vacantes en los metales son defectos enequilibrio, y por ello algunos están siemprepresentes para facilitar que tenga lugar ladifusión sustitucional de los átomos. Segúnva aumentando la temperatura del metal seproducirán más vacantes y habrá másenergía térmica disponible, por tanto, elgrado de difusión es mayor a temperaturasmás altas.

Mecanismo de difusión intersticial.

Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de losátomos que se difunde debe ser relativamente pequeñocomparado con el de los átomos de la matriz.