UNIDAD IIEstructura de los

Materiales2.1 Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades

2.2 Materiales puros2.3 Aleaciones ferrosas y no ferrosos2.4 Materiales orgánicos e inorgánicos2.5 Materiales Cerámicos

Introducción

Es posible examinar y describir la estructura de los materiales en cinco niveles distintos, que pueden tener influencias distintivas y profundas sobre las propiedades y el comportamiento de un material:

1. Estructura atómica2. Arreglos atómicos de corto y largo

alcance 3. Nanoestructura4. Microesatructura y 5. Macroeastructura

(Smith, 1993) La importancia en la ingeniería de la estructura física de los

materiales sólidos dependen principalmente de la disposición de los átomos, iones o moléculas que constituyen al sólido y de las fuerzas de enlace entre ellos. (p.71)

Estructura Cristalina. Si los átomos o iones de un solido se ordenan en una disposición que se repite en tres dimensiones. Como consecuencia los materiales que presentan dicho tipo de estructura, se les identifica como sólido cristalino o material cristalino, p.e metales, aleaciones y algunas materiales cerámicos

Material Cristalino Materiales en los que los átomos están arreglados de una manera periódica que exhiben un orden de largo alcance.

Estructuras Geométricas y Cristalinas

Estructura Descripción de los arreglos de los átomos o iones en un material. La estructura de los materiales tiene una profunda influencia sobre muchas propiedades de los materiales, aún si la composición genera no cambia (Askeland, Fulay y wright, 2011,

p.50

La ordenamiento atómico en sólidos cristalinos puede representando asimilando los átomo a los puntos de intersección de una red de líneas en tres dimensiones. Tal red se llama retículo espacial (fig. a), el tamaño y la forma de la celda unidad puede describirse por tres vectores reticulares a, b y c, que se originan a partir del vértice de la celda unidad (fig. b). Las longitudes axiales a, b y c y los ángulos interaxiales α, β y γ son las constantes reticulares de la celda unidad

Asignando valores específicos para las longitudes axiales y los ángulos interaxiales se pueden construir diferentes tipos de celda unidad. En la siguiente tabla se presentan los siete tipos diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales.

Sistemas cristalinos y redes de Bravais

TriclinicoTriclínico

3 ejes distintos con dis-Tinta inclinación, y sin formar ningún ángulo recto a‡ b ‡ c, α‡ β‡ γ‡ 90o

Triclínico sencillo

Principales estructuras cristalinas metálicas

La mayoría de los metales elementales (aprox. 90%) cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas: Cúbica centrada en el cuerpo (BCC Fig. A), Cúbica centrada en las caras (FCC) Fig. B y hexagonal compacta (HCP) Fig. C.

Fig. A Fig. B Fig. C

CELDAS UNIDAD CONVENCIONALES DE BRAVAIS AGRAUPADAS DE ACUERDO CON SU SISTEMA CRISTALINO

Las esferas indican los puntos reticulares que, cuando se encuentran en las caras o en los vértices, están compartidos con otras celdas unidad reticulares idénticas. Parte de los metales cristaliza en estas estructuras densamente empaquetadas debido a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez mas estrechamente entre si

Principales estructuras cristalinas metálicas en 3D

2 átomos

1 átomo

4 átomos 6 átomos

Parámetro de red. Relación entre la constante de red y el radio atómico (Relación entre a y R)

Estructura BCC

a2 + a2 = 2a2 =√2 a

(4R)=(√ 2 a +a)Elevando al cuadrado ambos miembros16R2 = 2 a2 + a2

16R2 = 3 a2 Sacando raíz cuadrada a ambos miembros

4R = √3 a de donde

a = 4R √3

a – parámetro de red (arista)R – radio atómico

Estructura FCC

a2 + a2 = (4R)2

16R2 = 2 a2 Sacando raíz cuadrada a ambos miembros

4R = √2 a de donde

a = 4R √2

a – parámetro de red (arista)R – radio atómico

Metal Parámetro de red

(Cte. Reticular)a (nm)

Radio atómico R

(nm)

Cromo 0.289 0.125Hierro 0.287 0.124Molibdeno 0.315 0.136Potasio 0.533 0.231Sodio 0.429 0.185Tántalo 0.330 0.143Wolframio 0.316 0.137Vanadio 0.304 0.132

Metales con estructura cristalina BCC a temperatura ambiente 20oC y sus constantes reticulares (arista del cubo a y radios atómicos R)

Metales con estructura cristalina FCC a temperatura ambiente 20oC y sus constantes reticulares (arista del cubo a y radios atómicos R)

Metal Parámetro de red

(Cte. Reticular)a (nm)

Radio atómico R

(nm)

Aluminio 0.405 0.143Cobre 0.3615 0.128Hierro 0.408 0.144Plomo 0.495 0.175Niquel 0.352 0.125Platino 0.393 0.139Plata 0.409 0.144

Factor de empaquetamiento atómico

Factor de empaquetamiento Estructura BCC

Factor de empaquetamiento Estructura FCC

Problemas

El hierro a 20oC presenta estructura BCC . Calcular la constante de red (parámetro de red) a para el lado del cubo de la celda unidad

El Paladio es FCC y tiene un radio atómico 0.137 nm. Calcular la constante de red (parámetro de red) en nanómetros y su APF (FEA)

Direcciones en Celdas Unidad Cubicas

Introducción Smith, 1993

La necesidad de referirnos a posiciones especificas en las redes cristalinas es especialmente importante para metales y aleaciones con propiedades que varían debido a la orientación cristalográfica (p.84)En los cristales cúbicos los índices de las direcciones cristalográficas son las componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo de cada eje coordenado y reducidos a los enteros más pequeños Remitirse a ver el video cuyo link es el siguiente https://www.youtube.com/watch?v=tV-WWGSJv7k

EJEMPLOS INTERACTIVOS DE ENLACEShttp://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/enlaces/covalente.htm