3.Materiales Cristalinos y Amorfos

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ATERIALES DE CONSTRUCCINORARIO 502)

ateriales Cristalinos y Amorfos

ESTRUCTURA DE LOSSLIDOS CRISTALINOS Y

AMORFOS

Estructura submicroscpica de substancias metlicas

En los metales opacos y algunos No metales. Se ha determinado estaestructura mediante la Difraccin de rayos X y luego se ha extendidoa otras substancias diferentes

Los metales y no metales se componen de unidades bsicas, conocidascomo clulas o celdas unitarias. La celda unitaria es la subdivisinmas pequea que se estudia en un cristal

Tiene una estructuracin tridimensional de los tomos, que por lo generalpresenta una disposicin o arreglo ordenado en los slidos cristalinos

Si el arreglo de los tomos en un slido no es ordenada, sino al azar. Sedice que la substancia es amorfa o vtrea (no cristalina)

Ejemplo una copa de cristal y otra de vidrio

El tipo de arreglo (0rdenado o al azar) depende de la temperatura y deltiempo de formacin.


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ArregloAtmico MolecularEl arreglo de tomos e iones (microestructura ) desempea un papel

importante en las propiedades de un material especial : Agua.

SLIDO: Enlazados LIQUIDO: Semi-enlazados GASEOSO: Aislados

En los distintos estados de la materia se pueden encontrar

tres clases de arreglos atmicos:

Sin orden

Orden de corto alcance

Orden de largo alcance


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Sin orden: Los tomos molculas carecen de una arreglo ordenado,

por ejemplo los gases se distribuyen aleatoriamente en el espaciodisponible

Argn

Ordenamiento de corto alcance: el arreglo espacial de los tomos se

extiende slo a los vecinos ms cercanos.

Cada molcula de agua en fase vapor tiene un orden de corto alcance debido a

los enlaces covalentes entre los tomos de hidrgeno y oxgeno. Sin embargo,

las molculas de agua no tienen una organizacin especial entre s.

Ejemplo: agua en estado vapor, vidrios cermicos (slice), polmeros

Slice amorfoVapor de agua


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Ordenamiento de largo alcance: El arreglo atmico de largo alcance (LRO)

abarca escalas de longitud mucho mayores de 100 nanmetros. Los tomos olos iones en estos materiales forman un patrn regular y repetitivo, semejante

a una red en tres dimensiones.

Grafeno (compuesto decarbono densamenteempaquetado)

Por tanto: El arreglo atmico difiere de un

material a otro en forma y dimensin,

dependiendo del tamao de los tomos y del tipo

de enlace entre ellos.

En el caso de los METALES, cuando estos estn

en estado slido (fundido y luego fro), sus

tomos se alinean de manera regular en forma

de mallas tridimensionales.Estas mallas pueden ser identificadas fcilmente

por sus propiedades qumicas, fsicas o por medio

de difraccin de rayos X


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Slidos

Microestructura

Orden de largo alcance (CRISTAL): al solidificar el

material los tomos se sitan segn un patrn

tridimensional repetitivo, en el cual cada tomoest enlazado con su vecino ms prximo ( >100

nm)

1 nm. =10E-9 m =10E-7 cm.

Sin orden (AMORFO): carecen de un ordenamiento

atmico sistemtico y regular a distancias atmicas

relativamente grandes.

Diagrama molecular del vidrio(SiO2) en slido amorfo (no

cristalino)

Diagrama molecular del cuarzo(SiO2) en red cristalina


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Cristal Vidrio

Cristal: conjunto de tomos ordenados segn un arreglo peridico entres dimensiones

Modelo de las esferas rgidas: se consideran los tomos (o iones)como esferas slidas con dimetros muy bien definidos. Las esferas

representan tomos macizos en contacto

Estructura Cristalina


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Red cristalina: disposicin tridimensional de puntos coincidentes con las

posiciones de los tomos (o centro de las esferas). Los tomos estnordenados en un patrn peridico, de tal modo que los alrededores de cada

punto de la red son idnticos

Un slido cristalino es un conjunto

de tomos estticos que ocupanuna posicin determinada

Unidad cbica de repeticin en la red (subdivisin de una red que sigue

conservando las caractersticas generales de toda la red) . Al apilar celdas

unitarias idnticas se puede construir toda la red.

Ejemplo: Estructura cristalina cbica de cara centrada:

(a) representacin de la celda unidad mediante esferas rgidas

(b) celda unidad representada mediante esferas reducidas

CELDA UNITARIA:

(a) (b)


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Representacin de la red y de la celda unitaria del sistema

CBICO CENTRADO EN EL CUERPO

Cbica centradaen sus caras


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Los parmetros de red que describen el tamao y la forma de la

celda unitaria, incluyen las dimensiones de las aristas de la celdaunitaria y los ngulos entre estas.

En funcin de los parmetros de la celda unitaria: longitudes de sus lados y

ngulos que forman, se distinguen 7 sistemas cristalinos que definen la forma

geomtrica de la red:

Las unidades de la longitud se expresan en nanmetros (nm) o en angstrom(A)donde:

1 nanmetro (nm) =10-9 m =10-7 cm =10 A1 angstrom(A) =0.1 nm =10-10m =10-8 cm


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Variaciones:

Se reconocen 14Redes de Bravais

7 Sistemas

cristalinos

Estructuras cristalinas de elementos metlicos a 25C y 1 atm

Estructura cristalina Elemento

Hexagonal compacta Be, Cd, Co, Mg, Ti, Zn

Cbica compacta Ag, Al, Au, Ca, Cu, Ni, Pb, Pt

Cbica centrada en el cuerpo Ba, Cr, Fe, W, alcalinos

Cbica-primitiva Po


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Radio atmico versus Parmetro de red

En la celda unitaria, las direcciones a lo largo de las cuales los

tomos estn en contacto continuo son direcciones deempaquetamiento compacto.

En las estructuras simples, se utiliza estas direcciones para

calcular la relacin entre el tamao aparente del tomo y el

tamao de la celda unitaria.

Al determinar geomtricamente la longitud de la direccin con

base en los parmetros de red, y a continuacin incluyendo elnmero de radios atmicos a lo largo de esa direccin, se puede

determinar la relacin que se desee.

Cbico s imple (CS)

Los tomos se tocan a lo largo de la arista del cubo


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Cbico centrado en el cuerpo (BCC)

(hierro puro)Los tomos se tocan a lo largo de la diagonal del cuerpo

Cbico centrada en las caras (FCC) (hierro puro)

Los tomos entran en contacto a lo largo de la diagonal de la caradel cubo


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Densidad

La densidad terica de un material se puede calcular con laspropiedades de su estructura cristalina

( ) ( )( ) ( )AvogadroNunitariaceldaladevolumen

atmicamasaceldaportomosdecantidadDensidad

=

molatomosmolportomosdenumeroAvogadroN /10023.623

==

El hierro puro se presenta en estructura cristalina BCC y FCC enel rango de temperaturas que va desde temperatura ambiente

hasta la temperatura de fusin a 1.539 C.


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IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO

Se ha descrito el slido cristalino mediante la aproximacin de un cristal ideal

Perfeccin en materiales

Pureza en su composicin

Pureza estructural

PERO.

IRREGULARIDADES DEL ARREGLO ATOMICO(ver con detalle en separata de Intranet y en

Libro de Ciencia de Materiales para Ingeniera- Carl A. Keyser- )

Las imperfecciones juegan un papel fundamental en numerosas

propiedades del material: mecnicas, elctricas, se encuentran

dentro de la zona de ordenamiento de largo alcance (grano)

Se introducen intencionalmente para beneficiar determinadas

propiedades

Ejemplos: - Carbono en Fe para mejorar dureza

- Cu (cobre) en Ag (Plata) para mejorar

propiedades mecnicas


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Defectos puntuales:

Defecto de vacancia (a)

Defecto intersticial (b)

Defecto sustitucional (c, d)


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Efectos de Vacancias

Se produce cuando falta un tomo en la estructura cristalina

Todos los materiales cristalinos tienen defectos de vacancia.

Las vacancias pueden producirse durante la solidificacin como

resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los

cristales. (largo en e tiempo)

En los metales se pueden introducir vacancias durante la deformacin

plstica, por enfriamiento rpido desde altas a bajas temperaturas,

o como consecuencia de daos por radiacin.

Defectos Intersticiales

Se produce cuando se inserta un tomo en una estructura cristalina

en una posicin normalmente desocupada.

Los tomos intersticiales son de mayor tamao que los sitios

intersticiales, por lo cual la regin cristalina vecina esta comprimida y

distorsionada.

El aumento de sitios intersticiales ocupados en la red cristalina,

produce un aumento de la resistencia de los materiales metlicos

La cantidad de tomos intersticiales en la estructura es

aproximadamente constante (an cuando cambie la temperatura)


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Defecto Sustituc ional (o de sustitucin)

Se introduce un defecto sustitucional cuando un tomo es sustituidopor otro tomo de distinta naturaleza.

Un tomo sustitucional ocupa un sitio normal en la red.

Estos tomos cuando son de mayor tamao, causa una reduccin de

los espacios interatmicos vecinos.

Cuando son de menor tamao, se produce una mayor distancia

interatmica entre los tomos vecinos

Los defectos sustitucionales se pueden introducir en forma de

impurezas o adicionar de manera deliberada en la aleacin.

Una vez introducidos, la cantidad de defectos no varia con la

temperatura.

tomos de soluto en posiciones sustitucionale intersticial


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Defecto puntual auto

intersticial

Se crea cuando un

tomo idntico a los de

la red ocupa una

posicin intersticial.


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IMPERFECCIONES LINEALES: DISLOCACIONES

DISLOCACIN.- Imperfeccin lineal alrededor de la cual los tomos del cristalestn desalineados

DE ARISTA (borde, cua, lnea)Semiplano de tomos cuya arista (borde) termina dentro del cristal.

HELICOIDALApilacin de planos en espiral a lo largo de la lnea de dislocacin.

MIXTAS De carcter doble: arista y helicoidal

DISLOCACIN DE ARISTA (BORDE-DE CUA)

Una dislocacin de borde se crea en un cristal por la interseccin de un

semiplano extra de tomos

La dislocacin de borde presenta una regin de compresin donde se

encuentra el semiplano extra y una regin de traccin debajo del semiplano

extra de tomos.


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Cambios en las posiciones atmicas que acompaan al movimiento

de una dislocacin de borde (cua) a medida que sta se mueve en

respuesta a una tensin de cizalle (o corte) aplicada.

Desplazamiento de una dislocacin

Importancia de las dislocaciones

Es un mecanismo que explica la deformacin plstica de los metales, ya

que el esfuerzo aplicado causa el movimiento de las dislocaciones.

El deslizamiento proporciona ductilidad a los metales, de lo contrario stos

serian frgiles y no podran ser conformados (materiales cermicos, polmeros,

materiales inicos)

Se controlan las propiedades mecnicas de un metal o aleacin interfiriendo

el movimiento de las dislocaciones (un obstculo introducido en el cristal evita

que una dislocacin se deslice, a menos que se apliquen esfuerzos mayores,

por lo tanto aumenta la resistencia).


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Importancia de los defectos puntualesLos defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los tomos

circundantes, distorsionando la red a lo largo de cientos de

espaciamientos atmicos, a partir del defecto.

Una dislocacin que se mueva a travs de las cercanas 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 mayor para que

la dislocacin venza al defecto, incrementando as la resistencia y

dureza del material

Defectos de superfic ie

Son lmites o planos que separan un material en regiones, cada

regin tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientacin

Las dimensiones exteriores del material representan superficies en

donde termina el cristal. Cada tomo en la superficie ya no tiene el

nmero adecuado de coordinacin y se interrumpe el enlazamiento

atmico

El lmite de grano, que es la superficie que separa los granos

individuales, es una zona angosta donde los tomos no tienen la

distancia correcta entre s; existen zonas de compresin y otras de

traccin (flexin).


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Importancia de los defectos

En los materiales metlicos, los defectos como las dislocaciones,defectos puntuales y lmites de grano sirven como obstculo a las

dislocaciones.

Es posible controlar la resistencia de un material metlico controlandola cantidad y el tipo de imperfeccin

Endurecimiento por deformacin

Endurecimiento por solucin slida

Endurecimiento por tamao de grano

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