5. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES
Descripción de la forma como se arreglan los elementos constitutivos dentro de un material. Influye en sus propiedades, aunque no cambie la composición química.
Estructura Atómica Estructura Molecular
Estructura Granular (Microestructura) Estructura Multifásica (Macroscópico)
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5.1 ESTRUCTURA ATÓMICA:
La disposición de los electrones afecta el comportamiento eléctrico,
magnético, térmico y óptico.
Dimensiones: 1x10-10m (Amstrong Å).
5.2 ESTRUCTURA MOLECULAR:
Las moléculas se forman por medio de la disposición o arreglo de los átomos a través de enlaces químicos.
Dimensiones: 1x10-9m (Nanómetros)
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Sólidos Amorfos: Se forman cuando los átomos se enlazan en desorden o aleatoriamente, orden de corto alcance. Son transparentes como el vidrio. Sólidos Cristalinos: Se forman cuando los átomos y las moléculas tienen un orden geométrico que se repite en 3 dimensiones, orden de largo alcance. Son opacos como los metales.
5.3 ESTRUCTURA GRANULAR:
Las estructuras cristalinas se repiten dentro del material en regiones de propiedades similares llamadas granos. El tamaño y la forma de los granos influye en el comportamiento del material. Es la microestructura del material observable al
microscopio. Dimensiones: 1x10-6m (micrómetros). www.utp.edu.co
5.4 ESTRUCTURA DE FASES:
La Temperatura, la presión atmosférica y la composición química de los
materiales influyen en la fase o estado del material.
El Agua presenta diferentes fases o estados: Sólido, líquido y gas, dependiendo de la presión y la temperatura.
El hierro y el acero tienen diferentes fases dependiendo de la temperatura y el porcentaje de Carbono en la
composición de la aleación Fe – C. Dimensiones: 1x10-3(milímetros), las
fases se pueden apreciar a simple vista.
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5.5 ESTRUCTURA AMORFA:
- Ordenamiento de átomos y iones de corto alcance: material No cristalino. Las partículas se ubican aleatoriamente, sin un arreglo interno ordenado.
- Sólidos rígidos con cierta dureza - Al romperse se obtienen formas
irregulares
- La mayoría de sólidos amorfos son transparentes
- Presentan temperatura de transición vítrea y temperatura de fusión, (primero se ablandan y luego se funden).
- Algunos Materiales cerámicos y algunos Polímeros, por ejemplo:
Vidrios, Acrílico, Ceras, Asfalto, Parafina, geles.
- Los materiales Cristalinos: Presentan un arreglo interno ordenado, basado en minúsculos cristales individuales cada uno con una forma geométrica determinada. - Los cristales se obtienen como consecuencia de la repetición ordenada y constante de
las unidades estructurales (átomos, moléculas, iones) - Al romperse se obtienen caras y planos bien definidos.
- Presentan puntos de fusión definidos, al calentarlos suficientemente el cambio de fase ocurre de una manera abrupta.
- Ejemplos: NaCl, Sacarosa, Sales en general, Metales, Algunos polímeros, Algunos cerámicos.
- Algunos Materiales pueden ser semicristalinos con unas regiones cristalinas y otras regiones amorfas
6. ESTRUCTURA CRISTALINA
CELDA UNITARIA:
El cristal individual es llamado celda unitaria, está formado por la repetición de ocho átomos.
El cristal se puede representar mediante puntos en los centros de esos átomos.
RED CRISTALINA:
Ordenamiento espacial de átomos y moléculas que se repite sistemáticamente hasta formar un Cristal
PARÁMETROS DE RED
El tamaño y la forma de la celda unitaria se
especifica por la longitud de las aristas y los ángulos entre las caras.
Cada celda unitaria se caracteriza por seis números llamados Parámetros de Red, Constantes de Red o Ejes Cristalográficos.
La longitud de las aristas se expresa en nanómetros o Angstrom, esta longitud depende de los diámetros de los átomos que componen la red.
6.1 REDES DE BRAVAIS
CS
FCC
BCC
Parámetros de red: a = b = c Ángulos: 90° Volumen = a³
TS
TC
Parámetros de red: a = b ≠ c Ángulos: 90° Volumen = a²c
Parámetros de red: a = b ≠ c Ángulos: 90°, 90°, 120°
Volumen = 0.866a²c
HCP
Parámetros de red: a ≠ b ≠ c Ángulos: 90° Volumen = abc
OS
OC
OB
OCC
Existen 7 sistemas cristalinos básicos: Cúbico, Tetragonal, Hexagonal, Ortorrómbico, Monoclínico, Triclínico y Romboédrico. A partir de estos sistemas se ordenan los átomos en 14 arreglos distintos de puntos de red llamados Redes de Bravais:
Parámetros de red: a ≠ b ≠ c Ángulos: 90°, 90°, < 90° Volumen = abc
MS
MB
Parámetros de red: a ≠ b ≠ c Ángulos:los tres diferentes ≠ 90°
T
Volumen =abc√1-cos²α-cos²β-cos²γ+2cosα cosβ cos γ
Parámetros de red: a = b = c
Ángulos: Los tres iguales ≠ 90°
R
Volumen =a³√1-3cos²α+2cos³α
6.2 PARÁMETROS DE RED
6.2.1 RED CÚBICA SIMPLE (CS)
a = 2r V = a³ = 8r³
6.2.2 RED CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO (BCC)
a a a√2 (Vista Superior) a a√3
(Alzado del Triángulo)
a√2 a = 4r/√3
a√3 = 4r a√2
a
6.2.3 RED CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS (FCC) a a a√2 (Vista Frontal) a√2 = 4r a = 4r/√2 V = a³ = 64r³/2√2
ATOMOS POR CELDA: Número de átomos que ocupan la celda unitaria
NÚMERO DE COORDINACIÓN: Número de átomos que se encuentran en contacto directo alrededor de un átomo. Es la cantidad de vecinos más cercanos que tiene cada átomo.
FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO: Fracción de espacio ocupada por los átomos dentro del cubo F. E. = Vol átomos / Vol Celda unitaria = (átomos por celda)(Vol átomo) / Vol cubo
Vol átomo = 4πr³/3
Átomos por celda 1 2 4
Número de Coordinación
6 8 12
Factor de
empaquetamiento 0,52 0,68 0,74
Materiales cristalinos: Polonio, Manganeso α
Fe α , Ti α, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Zr, Cr
Co, Fe γ, Cu, Au, Pt, Ag, Pb, Ni, Al