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ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

RELACION ESTRUCTURA PROPIEDADES DE LOS MATERIALESPara realizar su funcin un componente debe tener la forma correcta. Para esto se debe aprovechar la relacin entre la estructura interna del material, su procesamiento y las propiedades finales del mismo. Cuando se modifica alguno de estos tres aspectos, cualquiera de los restantes tambin cambian.Estructura de un materialLa estructura de un material se puede considerar en diferentes nivelesEstructura atmicaLa disposicin de los electrones que rodean al ncleo de los tomos individuales afecta el comportamiento elctrico, magntico, trmico y ptico. La configuracin electrnica influye en la forma en que los tomos se unen entre si (enlaces qumicos)

Estructura CristalinaEs esta estructura se toma en consideracin la disposicin o arreglo de los tomos. Los metales, semiconductores, muchos cermicos y algunos polmeros tienen una organizacin de tomos muy regular, es decir, una estructura cristalina. Se pueden controlar las imperfecciones en la organizacin atmica a fin de producir cambios profundos en las propiedades.

Estructura GranularEn la mayor parte de los metales, los semiconductores y cermicos se encuentra una estructura granular. El tamao y forma de los granos influye en el comportamiento del material.

Estructura granular en el hierroEstructura MultifsicaEn la mayor parte de los materiales se presenta mas de una fase, teniendo cada una de ellas su arreglo atmico y propiedades nicas. El control del tipo, tamao, distribucin y cantidad de estas fases dentro del material es otra de las principales formas de controlar las propiedades.

Estructura multifsica en el hierro fundido blancoEstructura cristalina y su consecuencia en las propiedadesLa estructura fsica de los materiales de ingeniera tiene importancia en cuanto a la disposicin de los tomos, iones o molculas que constituyen el solido y de las fuerzas de enlace entre ellos.Si estn ordenados en una disposicin que se repite en las tres dimensiones, se dice que el solido posee ESTRUCTURA CRISTALINA (metales, aleaciones y algunos materiales cermicos. La disposicin atmica en los solidos cristalinos forma una red espacial donde los tomos se encuentran en la interseccin de una red de lneas en tres dimensiones, en otras palabras, es una disposicin de puntos tridimensionales infinita.

La celda unitaria es la subdivisin de la red cristalina que sigue conservando las caractersticas generales de toda la red. Al apilar celdas unitarias idnticas, se puede construir toda la red.La red difiere de un material a otro tanto en tamao como en forma, dependiendo del tamao de los tomos y del tipo de enlace entre ellos.

REDES DE BRAVAISEl tamao y forma de las celdas unitarias pueden describirse mediante tres vectores a, b y c, con origen en un vrtice de la misma, y tres ngulos axiales , y . Dicho tamao y forma esta definido por las siguientes caractersticas:Parmetros de red: dimensiones de los costados y ngulos entre sus costados.Numero de tomos por celda unitaria: cada celda unitaria esta definida por un numero especifico de puntos de red.

Todas las posibles redes cristalinas pueden ser descritas con SIETE SISTEMAS CRISTALINOS y 14 CELDAS UNITARIAS ESTANDAR, conocidas como REDES DE BRAVAIS

CLASIFICACION DE RETICULOS ESPACIALES EN SISTEMAS CRISTALINOSSISTEMA CRISTALINOLONGITUDES AXIALES Y ANGULOS INTERAXIALESRETICULOS ESPACIALESCubicoEjes iguales en ngulos rectosa = b = c, = = = 90 Cubico sencilloCubico centrado en el cuerpoCubico centrado en las carasTetragonalEjes en ngulos rectos, dos de ellos iguales a = b c, = = = 90 Tetragonal sencilloTetragonal centrado en el cuerpoOrtorrmbicoEjes distintos en ngulos rectosa b c, = = = 90 Ortorrmbico sencilloOrtorrmbico centrado en el cuerpoOrtorrmbico centrado en las basesOrtorrmbico centrado en las carasRombodricoEjes iguales, inclinados por iguala = b = c, = = 90 Rombodrico sencilloHexagonalEjes iguales a 120 y a 90 con el terceroa = b c, = = 90 , = 120Hexagonal sencilloMonoclnicoEjes distintos, dos de ellos no forman ngulo rectoa b c, = = 90 Monoclnico sencilloMonoclnico centrado en la baseTriclnicoEjes distintos con distinta inclinacin, y ninguno en ngulo rectoa b c, 90 Triclnico sencillo

Cubico

Tetragonal

Ortorrmbico

RombodricoHexagonal

Triclnico

MonoclnicoCELDA UNITARIA CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO BCC

8/8 + 1 = 2 TOMOSCELDA UNITARIA CUBICA CENTRADA EN LA CARA FCC

8/8 + 6/2 = 2 TOMOSCELDA UNITARIA HEXAGONAL COMPACTAHCP

6/6 + 6/6+ 2/2 + 3 = 6 TOMOSTRANSFORMACIONES ALOTROPICAS O POLIMORFICASLos materiales que pueden tener mas de una estructura cristalina se llaman alotrpicos o polimrficos. El termino alotropa por lo general se reserva para este comportamiento en elementos puros.A bajas temperaturas, el hierro tiene una estructura cubica centrada en el cuerpo, pero a temperaturas mas altas se convierte en una estructura cubica centrada en las caras. Estas transformaciones dan los fundamentos para el tratamiento trmico del acero y el titanio.

Muchos materiales cermicos, como el slice (SiO2), son polimrficos. La transformacin puede venir acompaada de un cambio en el volumen durante el calentamiento o el enfriamiento. De no estar controlado correctamente, ese cambio en el volumen har que el material se agriete o falle.DEFECTOS EN ESTRUCTURASUn defecto es toda irregularidad que aparece en la estructura cristalina de un material aumentando la posibilidad de una falla al ser sometido a fenmenos externos.Y se clasifican en puntuales , lineales y superficiales

Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quizs varios tomos. Estos defectos o imperfecciones pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los tomos al ganar energa por calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introduccin de impurezas o intencionalmente a travs de las aleaciones

DEFECTOS PUNTUALESUna vacancia se produce cuando falta un tomo en un sitio normal. Las vacancias se crean en el cristal durante la solidificacin a altas temperaturas o como consecuencia de danos por radiacin. A temperatura ambiente aparecen muy pocas vacancias, pero estas se incrementan de manera exponencial conforme se aumenta la temperatura.VACANCIAS

Se forman cuando se inserta un tomo adicional en una posicin normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina. Los tomos intersticiales, aunque mucho mas pequeos que los tomos localizados en los puntos de la red, provocan que la red circundante aparezca comprimida y distorsionada. Los tomos de carbono se agregan al hierro para producir acero. Una vez dentro del material, el numero de tomos en la estructura de mantiene casi constante, incluso al cambiar la temperaturaDEFECTOS INTERSTICIALES

Se crea cuando se reemplaza un tomo por otro de un tipo distinto. El tomo sustitucional permanece en la posicin original. Este defecto distorsiona la red circundante. Se puede encontrar el defecto sustitucional como una impureza o como un elemento aleatnte agregado deliberadamente. DEFECTOS SUSTITUCIONAL

El defecto Frenkel es un par de defectos, intersticio-vacancia formado cuando un ion salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial, dejando atrs una vacancia. OTROS DEFECTOSEl defecto Schottky es un par de vacancias en un material de enlace inico; deben faltar tanto un anin como un catin en la red si se ha de preservar la neutralidad elctrica del cristal.

Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los tomos circundantes, distorsionando la red a partir del defecto. Una dislocacin que se mueva a travs de las cercanas generales de un defecto puntual encuentra una red en la cual los tomos no estn en sus posiciones de equilibrio. Esta alteracin requiere que se aplique un esfuerzo mas alto para obligar qua que la dislocacin venza al defecto, incrementndose as la resistencia del material.IMPORTANCIA DE LOS DEFECTOS PUNTUALESDISLOCACIONESImperfecciones lineales de una red que otra forma seria perfecta. Se introduce en la red durante el proceso de solidificacin del material o al deformarlo. Son tiles para explicar la deformacin y el endurecimiento de los metales. Se puede identificar dos tipos de dislocaciones: la dislocacin de tornillo y la dislocacin de borde.

DISLOCACION DE TORNILLOEl cristal perfecto es cortado y deformado una distancia igual a un espaciamiento atmico. La lnea a lo largo de la cual ocurre este corte es una dislocacin de tornillo.

DISLOCACION DE BORDEUna dislocacin de borde se puede ilustrar haciendo un corte parcial a travs de un cristal perfecto, separndolo y rellenando parcialmente el corte con un plano de tomos adicional. El borde inferior de este borde adicional representa la dislocacin de borde.

DESLIZAMIENTOEl proceso mediante el cual se mueve una dislocacin causando que se deforme un material se conoce como deslizamiento. Un movimiento continuo de la dislocacion finalmente causa un escalon y deformacion permanente del cristal.

El deslizamiento le da ductilidad a los metales. Si no hay dislocaciones presentes, los metales no podran ser conformados por procesos que involucran deformacinSe controla las propiedades mecnicas de un metal o aleacin al interferir el movimiento de las dislocaciones. Un obstculo introducido en el cristal impedir que en una dislocacin se deslice, a menos que apliquemos mayor fuerza. Si es necesario aplicar una fuerza superior, entonces el metal resulta ser mas resistente.

Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalogrficas distintas.DEFECTOS DE SUPERFICIESUPERFICIE DEL MATERIAL. En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta. Cada tomo de la superficie ya no tiene el mismo numero de coordinacin y se altera el enlace atmico. Asimismo, la superficie puede ser muy spera, contener pequeas muescas. y quizs ser mucho mas reactiva que el interior del material. FRONTERAS DE GRANO: La microestructura de la mayor parte de los materiales esta formada por muchos granos. Un grano es una porcion dentro del material dentro del cual el arreglo atmico es idntico. Sin embargo, la orientacin del arreglo atmico, o de la estructura cristalina, es distinta para cada grano.

La frontera de grano, que es la superficie que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los tomos no estn correctamente espaciados. En algunos sitios, los tomos estn tan cerca unos de otros en la frontera de grano que crean una regin de compresin y en otras reas estn tan alejados que crean una regin de tensin.

Un mtodo para controlar las propiedades de un material es controlando el tamao de sus granos. Reduciendo el tamao de estos se incrementa su numero, y por tanto, aumenta la cantidad de fronteras de grano. Cualquier dislocacin se mover solamente una distancia corta antes de encontrar una frontera de grano, incrementando as la resistencia del metal.

Se puede controlar el tamao de grano a travs de la solidificacin, la generacin de aleaciones y el tratamiento trmico.CONCLUSIONES